【正文】 從目前 MFC 的整體造價(jià)來(lái)看，生物陰極型 MFC 具有一定優(yōu)勢(shì)。生物陰極型 MFC 不僅可以利用陰極實(shí)現(xiàn)脫氮功能，而且可以利用好氧生物陰極對(duì)陽(yáng)極出水中的 COD 進(jìn)一步降解，提高出水水質(zhì)。 （ 3）體積有效放大 目前 MFC 的研究還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)驗(yàn)室內(nèi) MFC 小試裝置體積范圍從微升到升，大多集中在幾十毫升到幾百毫升，反應(yīng) 器體積超過(guò) 1L 即視為大型反應(yīng)器。 要實(shí)現(xiàn) MFC 的工程化應(yīng)用，必須對(duì) MFC 裝置進(jìn)行有效放大。因此，放大過(guò)程中腔體構(gòu)型和電極的設(shè)計(jì)成為未來(lái) MFC 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)；②保證腔體內(nèi)流態(tài)均勻，避免死區(qū)出現(xiàn)，確保電極 表面微觀上的傳質(zhì)效果。 電極材料及構(gòu)型 如前所述，電極是 MFC 中決定其性能和成本的最為關(guān)鍵部分。從 MFC 的結(jié)構(gòu)或電極反應(yīng)上區(qū)分 MFC 的電極分為陽(yáng)極和陰極。 電極不僅是微生物和化學(xué)催化劑的 載體，還是電子傳遞的導(dǎo)體。目前碳材料和金屬材料是應(yīng)用最為廣泛的電極材料，如圖 所示。 成本降低 對(duì)于目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的小型 MFC，由于電極的成本占據(jù)了 MFC 成本的一半以上，因此降低電極的造價(jià)就成為降低 MFC 整體成本的關(guān)鍵。 降低成本首先需要篩選廉價(jià)高效的電極材料。其中填料型電極由于選材范圍廣而具有較大的發(fā)展?jié)摿Α４送?，在大? MFC 中，集電材料同樣不可或缺。對(duì)于不銹鋼等 廉價(jià)金屬材料的集電效果，還有待于研究者進(jìn)一步測(cè)試。此外，在電極的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以在不降低電極性能的前提下，通過(guò)工藝及構(gòu)型優(yōu)化來(lái)減少電極材料的用量，同樣可以提高電極的性?xún)r(jià)比。由于我國(guó)的碳材料及金屬材料來(lái)源廣泛，規(guī)格眾多，因此部分材料較之國(guó)外有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是將其應(yīng)用于 MFC 中的性能及壽命不得而知。 通過(guò)廉價(jià)材料的篩選可以降低 MFC 的電極造價(jià) 。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的大型 MFC 而言，在電極構(gòu)型和處理對(duì)象（如某種污水）確定的情況下，電極的特性就成了決定產(chǎn)電菌整體活性的關(guān)鍵因素。 東北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 表 常用電極材料的國(guó)內(nèi)價(jià)格 研究目的與內(nèi)容 研究目的 篩選用于生物陰極型微生物燃料電池填料型電極的廉價(jià)材料，通過(guò)材料特性?xún)?yōu)化和電極構(gòu)型優(yōu)化提高其產(chǎn)電性能，并將其應(yīng)用于放大的微生物燃料電池，為進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)用化研究奠定基礎(chǔ)。最后對(duì)候選材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。將優(yōu)化后的電極材料及構(gòu)型應(yīng)用于該系統(tǒng)，并考察產(chǎn)電 和水處理性能。首先從價(jià)格和性能角度綜合考慮，篩選出性?xún)r(jià)比較高的填料型陽(yáng)極材料和生物陰極材料。最終將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置中。在微生物燃料電池（ MFC）系統(tǒng)中，陰陽(yáng)極的電極材料是影響產(chǎn)電性能及成本的核心要素之一。本文可為 MFC 陽(yáng)極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、 MFC 構(gòu)型改造等組合提供思路，其中著重討論的不同陽(yáng)極材料對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電性能影響的相關(guān)內(nèi)容，可為篩選廉價(jià)、產(chǎn)電效率高的陽(yáng)極材料，推動(dòng)微生物燃料電池實(shí)用化提供參考 東北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 技術(shù)路線圖 第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料與方法 15 第 2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法 MFC 的實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)藥品 實(shí)驗(yàn)用藥 品如表 21 所示。 表 2 2實(shí)驗(yàn)儀器 名稱(chēng) 型號(hào) 東北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 多功能消解器 SB3150B 萬(wàn)能表 DT920 玻璃制作單極室 無(wú) 測(cè)定電壓 電流曲線電腦系統(tǒng) 蘋(píng)果 測(cè)定庫(kù)倫效率電腦系統(tǒng) 聯(lián)想 馬弗爐 KSN 冰箱 海爾 超聲波清洗器 YQ250B 陽(yáng)極材料篩選 產(chǎn)電性能 四種材料用于陽(yáng)極時(shí)，功率密度和電極電勢(shì)隨電流密度的變化如圖 所示?；钚蕴康淖畲蠊β拭芏缺忍?xì)趾褪謩e高出 13%和 21%。隨著電流密度的增大，不同的 MFC 之間的陰極電勢(shì)差別不大，而陽(yáng)極電勢(shì)差異明顯。 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià) 在不考慮電極使用壽命的前提下，為了對(duì)電極材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行粗略評(píng)價(jià)，將 東北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 1m3 體積的電極材料成本除以最大功率密度，得到 MFC 輸出 1W 時(shí)的電極材料成本。 表 輸出 1W 的陽(yáng)極成本 可以看出，半焦陽(yáng)極的成本最低，輸出 1 W 電能的電極成本分別僅為 15 元。但是，半焦作為陽(yáng)極時(shí)的性能較差，若要進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，仍需進(jìn)行性能優(yōu)化。作為 生物陰極材料時(shí)，活性炭的產(chǎn)電性能最好，半焦次之。其性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)高于其它材料。半焦的電阻率過(guò)高，從而導(dǎo)致其作為陽(yáng)極材料時(shí)的產(chǎn)電性能較差?；钚蕴筷帢O表面生物量最高。 微藻燃料電池的實(shí)用化研究 在電極構(gòu)型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將活性焦電極 應(yīng)用于放大的生物陰極型 MFC 裝置，旨在考察該電極材料在大體積 MFC 中的 性能及穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)好氧 /缺氧兩段式生物陰極 MFC 同步產(chǎn)電、脫氮、除碳工藝進(jìn)行了探索?；陉?yáng)極凈水體積計(jì)算的最大功率密度可以達(dá)到，高于本課題以往研究報(bào)道的 10L 體積的分體式生物陰極脫氮 MFC 的最大功率密度，實(shí)現(xiàn)了 MFC 裝置體積的有效放大。在水力停留時(shí)間為 6h 時(shí)，最大功率密度 。水力停留時(shí)間為 18h 時(shí)， COD、氨氮和總氮去除率分別達(dá)到 %、%和 %。 東北電力大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 結(jié) 論 針對(duì)目前 MFC 實(shí)用化過(guò)程中電極成本高、產(chǎn)電性能低的問(wèn)題，本論文篩選出可應(yīng)用于填料型電極的廉價(jià)材料半焦，并 利用材料改性和電勢(shì)調(diào)控手段提高了其產(chǎn)電性能，最后將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置中。 （ 1）以提高填料型電極的性?xún)r(jià)比為目標(biāo)，篩選出可用于陽(yáng)極和生物陰極的廉價(jià)電極材料半焦。四種材料作為陽(yáng)極材料時(shí)性能對(duì)比的結(jié)果表明，活性炭的性能優(yōu)于碳?xì)趾褪虢沟男阅茌^差。電極材料表面的 Geobacter 的含量與產(chǎn)電功率存在一定的正相關(guān)性。 四種材料用作生物陰極材料時(shí)，活性炭的產(chǎn)電性能最好，半焦次之，碳?xì)趾褪^差。 （ 2）利用活化改性提高了半焦電極的產(chǎn)電性能，并研究了電勢(shì)調(diào)控手段提高陽(yáng)極產(chǎn)電的機(jī)理，從能量角度對(duì)電勢(shì)調(diào)控的作用機(jī)制進(jìn)行了解析。 針對(duì)活性焦陽(yáng)極相對(duì)于陰極性能較差的問(wèn)題，考察了陽(yáng)極厚度對(duì)啟動(dòng)的影響及集電金屬網(wǎng)位置對(duì)不同厚度陽(yáng)極性能的影響。但是在最大功率輸出狀態(tài)下，單片金屬網(wǎng)無(wú)法將厚度大于 2cm 的電極內(nèi)的電子有效導(dǎo)出。當(dāng)陰極厚度為 2cm 時(shí)，活性焦陽(yáng)極的最佳厚度為 4cm，此時(shí)基于 MFC 總體積計(jì)算的最大功率輸出密度達(dá)最大。 通過(guò)將生物陰極分割為以氧氣為電子受體 的好氧陰極部分和以硝酸鹽為電子受體的缺氧陰極部分，可以分別實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化過(guò)程。利用上述工藝搭建了容積為 50L 的 MFC 裝置，并將活性焦應(yīng)用于陽(yáng)極和生物陰極。 參考文獻(xiàn) 22 參考文獻(xiàn) [1] 王黎 ,姜彬慧 .環(huán)境生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用 [M]. 北京 , 科學(xué)出版 社 , 2020, 252280. 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[7] 布魯斯 畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在 大學(xué) 學(xué)習(xí)生活既 將結(jié)束。在這 三 年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺。 論文的寫(xiě)作是枯燥艱辛而又富有挑戰(zhàn)的。在此，我特別要感謝我的 老 師 鄭勝 老師。沒(méi)有 鄭 老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒(méi)有我論文的順利完成。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開(kāi)的。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的 材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存 論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 參考文獻(xiàn) 26 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類(lèi)設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類(lèi)論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符 合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)