【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過(guò)陽(yáng)極的微生物修飾，將有效提高電池的輸出功率 [27,28]，同時(shí)對(duì)MFC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，從而提高性能降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，也是目前其發(fā)展改進(jìn)的一個(gè)大趨勢(shì)。通過(guò)近年來(lái)不斷地研究，MFC 在實(shí)際應(yīng)用的道路上正一步步向前邁進(jìn)，隨著其效能及成本方面的不斷突破，MFC 作為一種新型清潔能源的前景將不可忽視。 本課題研究?jī)?nèi)容，目的及意義 本課題研究目的及意義研究已經(jīng)證明，幾乎所有的有機(jī)廢水都可以被用來(lái)產(chǎn)電，因此MFC技術(shù)可用于一切需要進(jìn)行有機(jī)廢水處理的領(lǐng)域，包括市政污水處理廠和產(chǎn)生高濃度廢水的工業(yè)（例如處理畜牧場(chǎng)或者食品加工廠的廢水等） ，在遠(yuǎn)離人群的駐地、工作站、潛艇及極端條件下的封閉和半封閉系統(tǒng)中也具有很好的應(yīng)用前景。能源微藻類生物陰極型MFC在產(chǎn)電的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)污染治理、零碳排放、生物能源獲取等多種功能，因此具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。此MFC技術(shù)一旦進(jìn)入市場(chǎng)化運(yùn)作，將會(huì)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的解決帶來(lái)不可估量的作用和社會(huì)價(jià)值。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容本文利用自行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的陰極利于小球藻生長(zhǎng)的MFC反應(yīng)器作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，首先以正常陰極液對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，待陽(yáng)極產(chǎn)電菌富集成熟，電池產(chǎn)電穩(wěn)定以后分別考察了陰極正常運(yùn)行期、陰極加藻期、陰極換載鉑電極期、陰極持續(xù)光照期這四個(gè)不同周期運(yùn)第一章 文獻(xiàn)綜述7行條件下該MFC的產(chǎn)電情況、陰極小球藻的生長(zhǎng)情況、陰極溶氧情況及陽(yáng)極人工廢水的COD處理情況，為能源微藻生物陰極型MFC 的研究提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文8第二章 實(shí)驗(yàn)材料與方法 實(shí)驗(yàn)材料 主要試劑及儀器 主要試劑表 21 實(shí)驗(yàn)主要試劑列表Table21 The main reagents used in the experiments試劑名稱 規(guī)格 生產(chǎn)廠家鹽酸 分析純 AR 上?；瘜W(xué)試劑有限公司氯化鈉 分析純 AR 上海中試化工總公司氯化銨 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠磷酸氫二鈉 化學(xué)純 CP 汕頭市西隴化工廠氫氧化鈉 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠磷酸二氫鈉 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠氯化鉀 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司葡萄糖 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠B12 生物試劑 BR 上海市國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司VH 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司煙酸 化學(xué)純 CP 上?；菖d生化試劑有限公司VB5 生化試劑 BR 上海惠興生化試劑有限公司VB6 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司B2 生化試劑 BR 上海惠興生化試劑有限公司VB1 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司CaCl22H2O 分析純 AR 汕頭市西隴化工有限公司NaCl 分析純 AR 汕頭西隴化工股份有限公司NaNO3 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司磷酸氫二鉀 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司硫酸鎂 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司檸檬酸 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司乙二胺四乙酸二鈉 分析純 AR 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司第二章 實(shí)驗(yàn)材料與方法9Na2CO3 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 主要儀器表 22 實(shí)驗(yàn)主要儀器列表Table22 The main instruments used in the experiments名稱 生產(chǎn)廠家電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器（DHG90102SA 型） 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器（SYQDSX280A 型）上海申安醫(yī)療器械廠醫(yī)用冷藏冷凍箱（YCDEL259 型） 中科美菱低溫科技有限責(zé)任公司數(shù)據(jù)采集函數(shù)記錄儀（HPXY8B 型） 南京賀普科技有限公司旋轉(zhuǎn)式電阻箱（ZX21 型） 上海精密儀器有限公司COD 快速測(cè)定儀（5B3C 型） 蘭州連華環(huán)保科技發(fā)展有限公司臺(tái)式冷凍恒溫振蕩器（THZC1 型） 太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠分析天平（AUY120 型） 島津國(guó)際貿(mào)易 (上海)有限公司Eppendorf Research 移液器 Y188814R/Y187998P/YY188809R上海艾本德生物技術(shù)國(guó)際貿(mào)易有限公司數(shù)控超聲波清洗器 南京壘君達(dá)超聲電子設(shè)備有限公司單人凈化工作臺(tái) 蘇州凈化設(shè)備有限公司循環(huán)水式真空器（ SHZ三型） 南京科爾儀器設(shè)備有限公司BT100—2J 蠕動(dòng)泵 保定蘭格恒流泵有限公司紫外分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器設(shè)備有限公司溶解氧測(cè)定儀 上海精科有限公司 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖 1 所示，采用陽(yáng)極室 UASB（上流式厭氧污泥床）結(jié)構(gòu)與陰極室管狀光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的池型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，電池主要由陽(yáng)極室 陽(yáng)極電極 質(zhì)子交換膜陰極室 陰極電極 負(fù)載 導(dǎo)線 7 七部分組成，陽(yáng)極室裝液量為 500ml，陰極室裝液量為 300ml。南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文10圖 21 小球藻生物陰極型微生物燃料電池體系示意圖Figure 21 Chlorella Bio cathode microbial fuel cell system schematic 實(shí)驗(yàn)方法 MFC 的接種及啟動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)期運(yùn)行 MFC 陽(yáng)極出水及陽(yáng)極碳?xì)稚细街纳锬?MFC 陽(yáng)極菌種來(lái)源，陽(yáng)極出水接種量為 200mL。陽(yáng)極室供給的底物為葡萄糖人工廢水，其組成為：表 21 陽(yáng)極培養(yǎng)液Table21 The anodic medium 成分 加入量維生素母液 礦物質(zhì)母液 葡萄糖 1g/L第二章 實(shí)驗(yàn)材料與方法11NH4Cl KCl Na2HPO4 4. 576g/LNaH2PO4 其中維生素母液和礦物質(zhì)母液組分分別如下表：表 22 維生素母液Table22 The vitamins liquid 維生素母液成分濃度（g/L）B12 VH 葉酸 煙酸 對(duì)氨基苯甲酸 VB5 VB6 1B2 VB1 硫辛酸 泛酸 表 23 礦物質(zhì)母液Table23 The minerals liquid 礦物質(zhì)母液成分濃度（g/L）AlK（SO 4）12H 2O CaCl22H2O CoCl26H2O CuSO45H2O FeSO47H2O H3BO3 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文12MgSO4 3MnSO42H2O Na2MoO42H2O Na2Wo42H2O NaCl 1陰極液為磷酸緩沖液，其具體組成如下表：表 24 陰極緩沖液Table24 The cathodic buffer 成分 加入量KCl Na2HPO4 4. 576g/LNaH2PO4 陰陽(yáng)極液配置好后均調(diào)至 pH=7。MFC 的啟動(dòng)通過(guò)定期更換陽(yáng)極液來(lái)完成，當(dāng) MFC 產(chǎn)電降至 50mV 左右視作一個(gè)周期結(jié)束，然后更換陽(yáng)極液再運(yùn)行一周期，持續(xù)更換陽(yáng)極液后待某一周期 MFC 產(chǎn)電穩(wěn)定視為啟動(dòng)結(jié)束，MFC 可進(jìn)行各因素實(shí)驗(yàn)。 MFC 運(yùn)行條件MFC 陰陽(yáng)極電極均為碳?xì)郑?yáng)極（ 9cm*） ，陰極（*5cm） ，電極間距約9cm，質(zhì)子交換膜為 Nafion117（7cm 2） ，室溫（20℃177。5℃）下運(yùn)行，電池負(fù)載 1000 歐，陽(yáng)極液初始 COD=1000mg/L。小球藻生物陰極型 MFC 培養(yǎng)條件（除實(shí)驗(yàn)因素外）統(tǒng)一光強(qiáng) 2022lux，光暗間歇（12:12） ，陰極液配方在普通 MFC 陰極液的基礎(chǔ)上添加 BG11 培養(yǎng)基成分，其具體組成如下表：表 25 BG11 培養(yǎng)基成分表Table25 The BG11 mediumBG11 培養(yǎng)基成分 濃度NaNO3 2g/LCaCl22H2O 10mLK2HPO43H2O 檸檬酸 10mL乙二胺四乙酸二鈉 10mL第二章 實(shí)驗(yàn)材料與方法13MgSO47H2O 10mLNa2CO3 10mL微量金屬元素母液 1mL維生素 測(cè)定指標(biāo)及方法（1） 、電壓和電流實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，微生物燃料電池的電壓由南京賀普 HPXY8B 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)。電流由 I=U/R 計(jì)算而得。（2） 、功率密度 功率密度 P 為基于陽(yáng)極面積的功率，單位（ mW/m2)按公式計(jì)算：P=UI/A(A 為陽(yáng)極有效面積） 。（3） 、廢水處理效率 在廢水處理領(lǐng)域，廢水處理效率是衡量一種廢水處理工藝或技術(shù)的一項(xiàng)最重要的指標(biāo)。MFC 應(yīng)用于廢水處理，因此 MFC 對(duì)廢水的處理效果同樣是衡量 MFC 性能的重要參數(shù)。以化學(xué)需氧量 COD 為例，所謂去除率，用公式表示為:E=（CODin —CODout）/CODin式中：CODin 一反應(yīng)開(kāi)始時(shí)陽(yáng)極液的 COD，mg/L。 CODout 一反應(yīng)終止時(shí)陽(yáng)極液的 COD，mg/L。（4） 、其他指標(biāo)的分析方法 化學(xué)需氧量 COD 采用蘭州連華 COD 速測(cè)儀測(cè)定。 pH 值通過(guò)上海盛磁 pH 計(jì)測(cè)定。 小球藻藻液 OD 值通過(guò)上海美譜達(dá)儀器有限公司的紫外分光光度計(jì)測(cè)定溶氧值由上海雷磁溶解氧測(cè)定儀測(cè)定 實(shí)驗(yàn)材料處理方法（1）.陰陽(yáng)極電極材料的處理：將電極材料分別于 HCl（1mol/L）中浸泡 24h 以去除雜質(zhì)離子，使用后再用NaOH（ 1mol/L）浸泡 24h 去除表面吸附的細(xì)菌，以便重復(fù)使用。（2）Nafion117 質(zhì)子交換膜的處理 ：使用前在 %H2O2 中煮一小時(shí)，然后依次南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文14在蒸餾水、蒸餾水中煮沸一小時(shí)后，保存于蒸餾水中備用。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）MFC 啟動(dòng)期：本實(shí)驗(yàn)以新設(shè)計(jì)的陰極利于小球藻生長(zhǎng)的 MFC 反應(yīng)器為考察對(duì)象，首先以陰極不添加小球藻的普通陰極液?jiǎn)?dòng)運(yùn)行 MFC，使得該 MFC 陽(yáng)極產(chǎn)電菌在陽(yáng)極電極上富集成熟，待電池產(chǎn)電穩(wěn)定視作啟動(dòng)結(jié)束；（2）MFC 正常運(yùn)行期： MFC 啟動(dòng)后，以普通陰極液正常運(yùn)行一個(gè)周期，考察電池的產(chǎn)電情況、陰極溶氧情況及陽(yáng)極人工廢水的處理情況；（3）MFC 陰極加藻期：待上一個(gè)周期電壓降至 50mV 左右，更換陽(yáng)極液，陰極添加小球藻，初始接種 OD=，陰極液在普通陰極液的基礎(chǔ)上添加 BG11 培養(yǎng)基成分，PH 調(diào)至7，考察電池的產(chǎn)電情況、陰極藻液的生長(zhǎng)及溶氧情況、陽(yáng)極人工廢水的處理情況；（4）MFC 陰極換載鉑電極期：待上一周期電壓下降，更換陽(yáng)極液，更換陰極藻液（初始OD=）,陰極電極更換為載鉑碳紙（20cm*3cm，載鉑量 178。，單面載鉑） ，考察電池的產(chǎn)電情況、陰極藻液的生長(zhǎng)及溶氧情況、陽(yáng)極人