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玉米秸秆在电化学辅助微生物厌氧系统中的转化和产电特性研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:04:55
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玉米秸秆在电化学辅助微生物厌氧系统中的转化和产电特性研究【摘要】:电化学辅助的微生物厌氧体系(EMAS)能够以秸秆为生物质源材料,获取多种形式的产物(如H_2、CH_4等),并且具

【摘要】:电化学辅助的微生物厌氧体系(EMAS)能够以秸秆为生物质源材料,获取多种形式的产物(如H_2、CH_4等),并且具有效率高、成本低、能量转化率高等优点。构建与驯化高效的以秸秆为底物的微生物燃料电池体系(MFC)是构建EMAS实现秸秆综合利用的必要步骤和关键技术之一。 将秸秆粉碎后直接投加到微生物燃料电池体系中,利用两种不同构型的反应器,即碳刷阳极空气阴极瓶型反应器与碳刷阳极空气阴极立方体反应器,构建秸秆作为“燃料”的微生物燃料电池体系。实验中所用微生物燃料电池系统均使用50mM磷酸盐缓冲体系,以纤维素糖化菌群H C作为主要秸秆降解菌群,原位利用秸秆产电。以1g/L葡萄糖为底物时,瓶型反应器最大输出功率为651±10mW/m~2,投加H C菌群与玉米秸秆粉末后,最大输出功率为599±15 mW/m~2,稳定周期的秸秆平均降解率为31%;立方型反应器最大输出功率为769±3mW/m~2,投加H C菌群与玉米秸秆粉末后受传质影响,反应器的电压波动较大,最大输出功率降低至444±36mW/m~2。立方体秸秆平均降解率为17%。结果显示,在可溶性底物条件下,立方体性能较好,但由于传质影响,在利用秸秆固体方面,瓶型反应器优于立方型反应器。 利用纤维素糖化菌群H C,微生物燃料电池系统外降解秸秆,过滤收集0~14日秸秆降解液,构建秸秆降解液作为“燃料”的微生物燃料电池体系。在14天的降解过程中,降解液COD呈波动上升状态,在第12天COD峰值达到2022mg/L。整个降解期间出现了三个明显的降解速率较高的时间段,分别出现在第3、7和12天附近。将秸秆降解液作为底物接入到微生物燃料电池体系中,秸秆降解液的最大功率输出与葡萄糖为底物时相比略低,但12、13两天采集的秸秆降解液作为底物时的最大功率密度( 820.5±31.6mW/m~2 ,851.1±13.5mW/m~2)输出高于葡萄糖为底物时的最大功率密度(802.5±19.4 mW/m~2)。电位分析结果显示,与葡萄糖为底物的反应器阳极电位相比,秸秆降解液的水解产物能使反应器的阳极电位保持在一个更低的水平,更有利于阳极微生物的生长与产电,但是由于降解液使得反应器阴极电位有所下降,导致秸秆降解液最大输出功率略低于葡萄糖。实验结果证实:利用秸秆降解液作为底物构建MFC体系是可行的,选取适当时间的秸秆降解液作为底物,可以获得优于葡萄糖对照的产电性能。 启动放大的微生物燃料电池反应器为后续建立可应用于实际的EMAS体系利用秸秆及秸秆降解液为潜在资源创造条件。反应器的阳极采用碳刷,阴极采用空气阴极,容积250L。以生活污水为进水,经过450h的驯化,获得了0.14~0.18A的稳定输出电流。在生活污水中掺杂40%秸秆降解液后,通过极化曲线的测定,反应欧姆内阻仅为2.5±0.2Ω,最大功率输出为58mW (0.93W/m~3)。放大微生物燃料电池系统的成功设计启动,可以使基于MFC技术的秸秆综合利用研究更具有实际意义。 【关键词】:微生物燃料电池 大型化 玉米秸秆 产电 纤维素糖化菌群
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X703.1
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 绪论11-23
  • 1.1 国内外能源形势11
  • 1.2 微生物燃料电池技术发展现状11-18
  • 1.2.1 微生物燃料电池产电机理11-14
  • 1.2.2 微生物燃料电池的优势和主要限制因素14-15
  • 1.2.3 微生物燃料电池底物发展现状15-18
  • 1.3 秸秆综合利用研究现状18-21
  • 1.4 研究内容和技术路线21-22
  • 1.5 课题来源22-23
  • 第2章 实验材料与方法23-33
  • 2.1 实验材料23-24
  • 2.1.1 秸秆成分与来源23
  • 2.1.2 纤维素降解菌23-24
  • 2.1.3 产电菌菌源24
  • 2.1.4 磷酸盐缓冲溶液24
  • 2.2 仪器与药品24-27
  • 2.2.1 MFC 反应器24-26
  • 2.2.2 仪器与药品26-27
  • 2.3 分析与测量方法27-33
  • 2.3.1 数据采集与计算方法27-29
  • 2.3.2 测量方法29-33
  • 第3章 秸秆为MFC 底物的产电性能研究33-43
  • 3.1 空气阴极催化性能评价33-34
  • 3.2 瓶型MFC 秸秆产电性能研究34-38
  • 3.2.1 瓶型MFC 利用葡萄糖产电34-36
  • 3.2.2 瓶型MFC 秸秆产电性能36-38
  • 3.3 立方体MFC 秸秆产电性能研究38-41
  • 3.3.1 立方型MFC 接种与启动38-40
  • 3.3.2 立方体MFC 秸秆产电性能40-41
  • 3.4 本章小结41-43
  • 第4章 秸秆降解液为MFC 底物的产电性能研究43-56
  • 4.1 秸秆降解液的制备43-46
  • 4.1.1 秸秆降解液的接种43
  • 4.1.2 秸秆培养基及菌源液接种本底值43
  • 4.1.3 秸秆回收方法与回收率43-44
  • 4.1.4 秸秆降解液特征分析44-46
  • 4.2 立方体微生物燃料电池系统启动46-48
  • 4.2.1 空气阴极性能评价46-47
  • 4.2.2 立方型MFC 产电性能47-48
  • 4.3 MFC 利用秸秆水解液产电性能分析48-50
  • 4.3.1 秸秆水解液适应期48-49
  • 4.3.2 秸秆降解液产电性能研究49-50
  • 4.4 秸秆水解液产电性能综合评价50-55
  • 4.4.1 功率输出性能50-51
  • 4.4.2 电极电位和反应器内阻变化51-52
  • 4.4.3 反应器电压和周期变化52-55
  • 4.5 本章小结55-56
  • 第5章 放大微生物燃料电池设计与启动56-65
  • 5.1 大型微生物燃料电池系统设计56-58
  • 5.1.1 电池系统主体结构56-57
  • 5.1.2 单个电池模块的进水方式57-58
  • 5.2 放大的微生物燃料电池系统接种与启动58-59
  • 5.2.1 系统接种菌源与运行条件58
  • 5.2.2 系统启动期电压产生与变化58-59
  • 5.3 放大的微生物燃料电池系统运行参数与电能输出59-64
  • 5.3.1 系统运行前期进出水参数59-61
  • 5.3.2 系统电能输出性能61-64
  • 5.4 本章小结64-65
  • 结论65-66
  • 参考文献66-70
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果70-73
  • 致谢73


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