微生物燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)及電化學(xué)性能模擬研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFC)是近年來發(fā)展迅速且具有特殊意義的新型水處理技術(shù)。物質(zhì)傳遞與電子轉(zhuǎn)移是影響MFC產(chǎn)電性能的本質(zhì)。研究MFC內(nèi)部物質(zhì)傳遞與生化反應(yīng)機(jī)理顯得尤為重要。目前，借助計(jì)算機(jī)采用數(shù)值模擬和分子模擬方法比采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究MFC內(nèi)部傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，很顯然是不錯(cuò)的方法。因此，本文建立了二維穩(wěn)態(tài)、均勻流、液-固兩相變化的MFC內(nèi)部區(qū)域擴(kuò)散、傳質(zhì)和生物化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。并利用該模型

2、對(duì)電池內(nèi)的復(fù)雜反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬分析，研究了生物膜厚度、生物量和底物濃度變化及其對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響。此外，在微觀模擬方面，在課題模型上，又進(jìn)一步引入了流體力學(xué)和空間分布理論，對(duì)微生物燃料電池陽極表面橫向和縱向微觀區(qū)域中的局部電流密度和生物量分布的關(guān)系進(jìn)行了研究。這對(duì)于深入了解MFC在處理廢水同時(shí)也能產(chǎn)電的機(jī)理具有重要的理論意義。
　　本文首先建立了MFC內(nèi)部傳質(zhì)的宏觀模型，并編寫了模擬程序。分別從MFC中微生物的單一周期培養(yǎng)，

3、等量加入底物連續(xù)培養(yǎng)，減量加入底物連續(xù)培養(yǎng)三個(gè)方面分析了生物量和底物濃度隨時(shí)間的變化情況。模擬結(jié)果表明：在底物即將耗盡時(shí)及時(shí)添加底物，可加速微生物的生長(zhǎng)繁殖。因此，在微生物培養(yǎng)馴化期間，應(yīng)及時(shí)添加底物，可縮短培養(yǎng)馴化的時(shí)間。減量加入底物進(jìn)行培養(yǎng)與等量加入底物培養(yǎng)相比，培養(yǎng)周期短，可以在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次少量添加底物培養(yǎng)。
　　其次，課題引入空間分布理論和流體力學(xué)計(jì)算方法，在微觀區(qū)域?qū)﹃枠O表面的生物量和局部電流密度分布情況進(jìn)行了研究

4、。結(jié)果表明：(1).濃度梯度是陽極液和生物膜之間物質(zhì)遷移的推動(dòng)力。同時(shí)重力、流體的粘滯力(內(nèi)摩擦力)、極板和生物膜之間的剪切力均對(duì)MFC陽極附近的物質(zhì)傳遞有影響。(2).MFC起始運(yùn)行時(shí)，電極邊緣的電流密度稍稍高于極板中心區(qū)域的電流密度。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，這種差異逐漸消失。(3).MFC運(yùn)行前中期，平行極板方向局部電流密度和生物量順重力方向開始均勻增加，且增加速度有加快趨勢(shì)。垂直極板方向上局部電流密度和生物量分布非常不均勻，電流密度和生

5、物量峰值有向極板附近移動(dòng)的趨勢(shì)，且移動(dòng)速度逐漸加快。(4).MFC運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定后，沿極板水平方向局部電流密度和生物量分布穩(wěn)定，并且順重力方向均勻增加；沿極板垂直方向局部電流密度和生物量分布趨于穩(wěn)定，且值向靠近極板方向增加。
　　最后，將環(huán)境因素影響引入模型，研究了pH、溫度、底物濃度、生物量對(duì)MFC電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在pH偏中性(6-8)、溫度37℃時(shí)MFC性能最佳。微生物處于穩(wěn)定期時(shí)生物量較高，此時(shí)的電池產(chǎn)電性能也較