新型小球藻生物阴极型mfc的基础特性研究毕业论文(编辑修改稿)

新型小球藻生物阴极型mfc的基础特性研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

养，微藻光合作用产生的有机物 (例如分泌的多糖 )供给异养产电微生物进行氧化分解， MFC通第一章 文献综述 5 过这种藻菌增效的方式进行产电。 藻菌协同产电的现象在自然生境中多见。 例如沉积型 MFC中就存在藻和细菌形成的生物膜，彼此之间形成增效关系。 He等 [21]曾在一个未添加任何有机物或营养物的淡水沉积物MFC中观察到电流的产生；电流强度在光 照阶段下降，在黑暗阶段上升，持续的黑暗培养会导致电流下降；分子分类分析法表明此沉积型 MFC中靠近阴极的沉积表面层多数为蓝藻和其他型微藻，越往下层异养微生物越占优势，且微生物种类越少。 分析结果证明正是微藻等光合自养微生物产生的有机物供给了异养微生物的生长及产电，但光合作用的产物 O2也会对异养产电微生物的产电有所抑制。 微藻生物阴极 型 MFC 将微藻放置 MFC阴极室培养，光合作用产生的 O2可以加速阴极室的氧化还原速率；同时可吸收利用 MFC阳极室反应释放出的 CO2，或对周边环境中的 CO2进行捕捉；若选 择能源型或经济价值型微藻，还可进行藻体的有价回收，降低 MFC成本，可谓一举多得。 1964年 Berk等 [6]已提出这一构想并进行研究，最近一些科学家也开始进行此项研究。 Powell等 [22,23,24,25]以培养小球藻 (Chlorella vulgaris)的光反应器作为 MFC的阴极室进行了系列研究。 首先对小球藻阴极半电池的可行性进行验证：以亚铁氰化钾作为阳极半电池电子供体的条件下构建的小球藻生物阴极型 MFC，获得 70mv输出电压、 (以阴极表面积计 )功率密度、和 (以干藻重计 )电流输出；随后阳极以 Saccharomyces cerevisiae(酿酒酵母菌 )发酵培养产乙醇，阴极光合培养 Chlorella vulgaris的方式构建了一个两极完全微生物燃料电池，获得 ，分析结果表明相对于阳极酵母菌的快速生长，阴极小球藻的缓慢生长速率是产电的主要限制因素；以上述研究为基础，提出了以某生物乙醇制造厂已有发酵罐作为 MFC电池系统的阳极半电池，在其周围建立小球藻光生物反应器阴极半电池的 MFC综合系统项目设想，并进行了应用策划和经济可行性分 析评估。 该 MFC综合系统可以同时达到收获电能、生物柴油和 CO2捕捉的三重功效，具有可观的经济价值。 微生物燃料电池的应用前景 随着社会与经济的不断发展 ,能源消费将逐年增加。 能源的大量消耗同时也带来了地球气温变暖、酸雨增加等各种问题。 为了使人类使用的能源能稳定持久的供应 ,为了保护地南京工业大学本科毕业论文 6 球生态环境 ,近一段时间以来 ,新能源的研制开发受到普遍的重视，各国都在加快步伐开发代替现有能源的清洁能源。 微生物燃料电池作为一种新能源，其发电技术正引起各国科学家注目并被积极地着手进行优化改善。 到目前为止 ,虽然微生 物燃料电池的发电效率仍然比较低，距离大规模工业化应用还有相当的距离 [26]，但随着微生物燃料电池技术在研制和开发应用中取得不断的进展，相信其作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，将逐渐走进正式大型工业化应用阶段，使用微生物电池处理污水一方面可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向，另一方面，为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。 而且微生物燃料电池将污水中可降解有机物的化学能直接转化为电能，实现了污水处理的同时产生新资源的新概念发展。 在采用污水作为原料的 MFC中，通过阳极的微 生物修饰，将有效提高电池的输出功率 [27,28]，同时对 MFC反应器结构的不断改进优化，从而提高性能降低生产运行成本，也是目前其发展改进的一个大趋势。 通过近年来不断地研究， MFC在实际应用的道路上正一步步向前迈进，随着其效能及成本方面的不断突破， MFC作为一种新型清洁能源的前景将不可忽视。 本课题研究内容，目的及意义 本课题研究目的及意义 研究 已经 证明，几乎所有的有机废水都可以被用来产电，因此 MFC技术可用于一切需要进行有机废水处理的领域，包括市政污水处理厂和产生高浓度废水的工业（例如 处理畜牧场或者食品加工厂的废水等），在远离人群的驻地、工作站、潜艇及极端条件下的封闭和半封闭系统中也具有很好的应用前景。 能源微藻类生物阴极型 MFC在产电的同时，还可实现污染治理、零碳排放、生物能源获取等多种功能 ， 因此具有 巨大的 经济和 环境效益。 此 MFC技术一旦进入市场化运作， 将会 对能源和环境问题的解决带来不可估量的作用和社会价值。 本课题的主要研究内容 本文利用自行创新设计的阴极利于小球藻生长的 MFC反应器作为实验模型，首先以正常阴极液对其进行启动运行，待阳极产电菌富集成熟，电池产电稳定以后分别考 察了阴极正常运行期、阴极加藻期、阴极换载铂电极期、阴极持续光照期这四个不同周期运行条件下该 MFC的产电情况、阴极小球藻的生长情况、阴极溶氧情况及阳极人工废水的 COD处理情况，为能源微藻生物阴极型 MFC的研究提供基础科学数据。 第二章 实验材料与方法 7 第二章 实验材料与方法 主要试剂及仪器 主要试剂 表 21 实验主要试剂列表 Table21 The main reagents used in the experiments 试剂名称 规格 生产厂家 盐酸 分析纯 AR 上海化学试剂有限公 司 氯化钠 分析纯 AR 上海中试化工总公司 氯化铵 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂 磷酸氢二钠 化学纯 CP 汕头市西陇化工厂 氢氧化钠 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂 磷酸 二 氢钠 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂 氯化钾 分析纯 AR 上海凌峰化学试剂有限公司 葡萄糖 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂 B12 生物试剂 BR 上海市国药集团化学试剂有限公司 VH 生化试剂 BR 上海惠兴生化试剂有限公司 烟酸 化学纯 CP 上海惠兴生化试剂有限公司 VB5 生化试剂 BR 上海惠兴生化试剂有限公司 VB6 生化试剂 BR 上海惠兴生化试剂有限公司 B2 生化试剂 BR 上海惠兴生化试剂有限公司 VB1 生化试剂 BR 上海惠兴生化试剂有限公司 CaCl22H2O 分析纯 AR 汕头市西陇化工有限公司 NaCl 分析纯 AR 汕头西陇化工股份有限公司 NaNO3 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂有限公司 磷酸氢二钾 分析纯 AR 上海凌峰化学试剂有限公司 硫酸镁 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂有限公司 柠檬酸 分析纯 AR 汕头市西陇化工厂有限公司 乙二胺四乙酸二钠 分析纯 AR 国药集团化学试剂有限公司 南京工业大学本科毕业论文 8 Na2CO3 分析纯 AR 上海凌峰化学试剂有限公司 主要仪器 表 22 实验主要仪器列表 Table22 The main instruments used in the experiments 名称 生产厂家 电热恒温鼓风干燥器（ DHG90102SA 型） 上海三发科学仪器有限公司 手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器（ SYQDSX280A 型） 上海申安医疗器械厂 医用冷藏冷冻箱（ YCDEL259 型） 中科美菱低温科技有限责任公司 数据采集 函数记录仪（ HPXY8B 型） 南京贺普科技 有限公司 旋转式电阻箱（ ZX21 型） 上海精密仪器有限公司 COD 快速测定仪（ 5B3C 型） 兰州连华环保科技发展有限公司 台式冷冻恒温振荡器（ THZC1 型 ） 太仓市实验设备厂 分析天平（ AUY120 型） 岛津国际贸易 (上海 )有限公司 Eppendorf Research 移液器 Y188814R/Y187998P/YY188809R 上海艾本德生物技术国际贸易有限公司 数控超声波清洗器 南京垒君达超声电子设备有限公司 单人净化工作台 苏州净化设备有限公司 循环水式真空器（ SHZ三型 ） 南京科尔仪器设备有限公司 BT100— 2J 蠕动泵 保定兰格恒流泵有限公司 紫外分光光度计 上海美谱达仪器设备有限公司 溶解氧测定仪 上海精科有限公司 实验装置 实验所用装置如图 1 所示， 采用阳极室 UASB（上流式厌氧污泥床）结构与阴极室管状光生物反应器结构的池型 结构相结合， 电池主要由阳极室 阳极电极 质子交换膜 阴极室 阴极电极 负载 导线 7 七部分组成 ，阳极室装液量为 500ml，阴极室装液量为 300ml。 第二章 实验材料与方法 9 图 21 小球藻生物阴极型微生物燃料电池体系示意图 Figure 21 Chlorella Bio cathode microbial fuel cell system schematic MFC 的接种及启动运行 实验以长期运行 MFC 阳极出水及阳极碳毡上附着的生物膜为 MFC 阳极菌种来源，阳极出水接种量为 200mL。 阳 极室供给的 底物 为葡萄糖 人工废水 ，其组成为 ： 表 21 阳极培养液 Table21 The anodic medium 成分 加入量 维生素母液 矿物质母液 葡萄糖 1g/L 南京工业大学本科毕业论文 10 NH4Cl KCl Na2HPO4 4. 576g/L NaH2PO4 其中维生素母液和矿物质母液组分分别如下表： 表 22 维生素母液 Table22 The vitamins liquid 维生素母液成分 浓度（ g/L） B12 VH 叶酸 烟酸 对氨基苯甲酸 VB5 VB6 1 B2 VB1 硫辛酸 泛酸 表 23 矿物质母液 Table23 The minerals liquid 矿物质母液成分 浓度（ g/L） AlK（ SO4） 12H2O CaCl22H2O CoCl26H2O CuSO45H2O FeSO47H2O H3BO3 MgSO4 3 MnSO42H2O 第二章 实验材料与方法 11 Na2MoO42H2O Na2Wo42H2O NaCl 1 阴极液为磷酸缓冲液，其具体组成如下表： 表 24 阴极缓冲液 Table24 The cathodic buffer 成分 加入量 KCl Na2HPO4 4. 576g/L NaH2PO4 阴阳极液配置好后均调至 pH=7。 MFC 的启动通过定期更换阳极液来完成，当 MFC 产电降至 50mV 左右视作一个周期结束，然后更换阳 极液再运行一周期，持续更换阳极液后待某一周期 MFC 产电稳定视为启动结束 ， MFC 可进行各因素实验。 MFC 运行条件 MFC 阴阳极电极均为碳毡，阳极（ 9cm*），阴极（ *5cm），电极间距约9cm，质子交换膜为 Nafion117（ 7cm2），室温（ 20℃ 177。 5℃）下运行 ， 电池负载 1000 欧，阳极液初始 COD=1000mg/L。 小球藻生物阴极型 MFC 培养条件（除实验因素外）统一光强 2020lux，光暗间歇（ 12:12），阴极液配方在普通 MFC 阴极液的基础上添加 BG11 培养基成分， 其具体组成如下表： 表 25 BG11 培养基成分表 Table25 The BG11 medium BG11 培养基成分 浓度 NaNO3 2g/L CaCl22H2O 10mL K2HPO43H2O 柠檬酸 10mL 乙二胺四乙酸二钠 10mL MgSO47H2O 10mL Na2CO3 10mL 南京工业大学本科毕业论文 12 微量金属元素母液 1mL 维生素 测定指标及方法 （ 1） 、电压和电流 实验过程中，微生物燃料电池的电压由南京贺普 HPXY8B 数据自动采集系统自 动记录存储。 电流由 I=U/R 计算而得。 （ 2） 、功率密度 功率密度 P 为基于阳极面积的功率，单位（ mW/m2)按公式计算： P=UI/A(A 为阳极有效面积）。