论文总字数：13973字

摘 要

人类使用化石燃料已经有很多年的历史，然而近几年的研究表明，石油、天然气资源将很有可能在2050 年前将罄尽。人类已经在新能源领域探索了很多年，但不同技术经常需要因地制宜，SMFC技术作为新能源领域的新兴力量，把目前人类面临的两大全球性问题紧密联系在一起，相关领域的科研工作者都展开了大量的研究。而生物炭密集的微孔和数量众多的炭骨架可以为微生物提供生长基材的同时锁定更多的营养物质，研究如何利用生物炭提高SMFC产电性能具有极好的实用前景。

本文通过向SMFC阳极土壤中添加不同量不同烧制温度制备的生物炭，记录SMFC输出电压和电功率，根据图表中每组装置对应的曲线分析。实验数据表明在未另外投加有机物的情况下，除500℃处理的生物炭组最高电压与对照组大致齐平外，其他组均比对照组的最高电压高。比较500℃和700℃的产电效果，数据表明，两种生物炭都能提高SMFC的产电性能，700℃的更佳，且都为添加量越高，产电效果越好。

关键词：土壤微生物燃料电池 生物炭 电力能源

Influence of biochar on the electrical performance of soil microbial fuel cells

Abstract

People have been using fossil fuels for many years.However,recent studies show that petroleum and natural gas resources are likely to be exhausted by 2050.People have been exploring in new energy field for many years.But different technologies always suit particular environments.As a new force in the field of new energy,SMFC linkes two global problems:resource shortage and environmental pollution.It has caused widespread concern in related fields.Dense pores and a large number of carbon skeletons in biochar can provide microorganisms with growth substrates and lock more nutrients at the same time.It is of great practical significance to study how to improve the performance of SMFC by using biochar.

In this paper,we put different mount of biochar burned from different temperature into each SMFC,then record SMFC output voltage and electrical power.We analyze the curves according to each set of devices in the graph. With no additional organics added,the experimental data indicate that the highest voltage in the biocarbon group treated at 500 ℃ was almost flush with the control group, the other groups were higher than the control group.Comparing the power production effect of the two kinds of biochar,the data shows that both of them can enhance the production of SMFC,the biochar prepared under 700℃ is better,and the more,the better.

Keywords：soil microbial fuel cells;biochar;electricity

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1研究背景 1

1.2我国电能资源状况及其发展态势 1

1.2.1我国电能资源状况 1

1.2.2我国电能资源利用发展态势 2

1.3简介 2

1.3.1微生物燃料电池 2

1.3.2关于MFC的国内外研究现状 2

1.4反应原理 3

1.5 添加生物炭对SMFC产电性能可能的影响 4

1.6研究意义 4

1.7 MFC的应用 5

第二章 实验材料与方法 6

2.1 实验材料与仪器 6

2.2实验方法 6

2.2.1土壤样品的处理 7

2.2.2电极制作 7

2.2.3压缩秸秆的处理（制备生物炭） 7

2.2.6实验数据的测定与记录 8

第三章 结果与讨论 10

3.1 生物炭pH测定结果 10

3.2 SMFC反应器产电效果比较 10

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致 谢 21

第一章 文献综述

1.1研究背景

自从人类开始使用化石能源以来，生活能源主要来源依然是三大化石燃料。有文献指出，这三大化石燃料很有可能在2050年之前就被耗尽。化石燃料燃烧会释放大量储存在其中的碳元素，CO₂的大量派发会导致全球温度上升，两极冰川融化，陆地面积减少，生态平衡受到破坏。核能作为一种新型能源，可作为理想的未来能源，但自从各种核污染频发后，人类开始考虑核能的安全性，尚不能普及。可燃冰，即甲烷水合物，是非常有潜力又有很多蕴藏量的新能源，若能达到安全开采，将满足人类所需能源的条件，2017年5月中国首先实现了甲烷水合物的开采，走出了历史性的一步。生物燃料能源也是利于减少碳排放的一种新型能源，但也有一些方面会受到限制，最大的限制条件就是占地面积和空间问题。目前使用最为广泛新型能源，同样会受到限制：比如太阳能电池在没有阳光的条件下，产电效果甚微，风力发电和水力也需要有足够的风力和水力，而潮汐能除了受到时间的限制，更受到地点的限制。以上新能源都需要一定的占地面积，一次性投资成本大，后期维护成本不低。为了人类文明更长远健康地发展，在新能源领域的研究和开源节流上还需要全人类的通力合作。

1.2我国电能资源状况及其发展态势

1.2.1我国电能资源状况

新中国成立以来，我国的制造业开始飞速发展，电力工业也进入了一个新的快速发展的进程。至2004年，我国的发电水平已经很高，但供电缺口仍然很大。我国在电力能源方面出现了供需矛盾的问题，所以也需要实施供给侧结构性改革，具体为三去一降一补。我国作为一个人口大国，改革开放以来，工业飞速发展，人民生活质量也飞速提高，这更加剧了店里能源的供不应求。虽然各种新型资源已经广泛投入使用，但仍受到地域、气候、时间、空间的种种限制。为了达到两个一百年目标，提高人们的生活质量，提高人口素质，全面解决能源缺口问题，我国各相关部门将面临巨大的挑战。我国人口增长速度已经放缓，但人口基数仍然甚为壮观，所以要解决能源问题不是一朝一夕的功夫，也需要加强公众的环保节约意识，从各方面开源节流，科技部门更加要加力开展各方面的研究，加快补上缺口。

1.2.2我国电能资源利用发展态势

按照我国的能源现状与地理情况，需要扬长补短，在水能资源充足的地方利用地理优势发展水电，在不破坏环境保护人民安全的情况下推进核电的建设，加快新能源领域的研究进展，实现各方面协调发展，人与自然和谐共处，坚决不以牺牲环境为代价发展工业。

可再生资源命题已经诞生了很多年，但要实施起来仍然有很长的路要走，目前推广较广的仍然是垃圾发电、太阳能、风能、潮汐能发电。这些能源都为绿色能源，将很有希望补充我国在能源领域的缺口。在新能源领域还有一股新兴力量，即本文所研究的微生物燃料电池，能够兼顾缓和能源危机和环境污染。

1.3简介

1.3.1微生物燃料电池

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MEC）是一种利用产电菌从底物中获取电能的装置，也是目前从废水或废弃物中回收能量最直接的方法，具有极大的发展空间和研究价值。微生物燃料电池有不同的底物加注方法，常用的有液相底物加注法和固相有机物加注法。液相加注一般用简单碳水化合物，生活污水和工业；泥浆，沉积物和受污染的土壤一般用在固相加注。在这种配置中，阴极一般会处在氧气环境中或水的界面，而阳极处于无氧的条件下，在电池底部的固体中。SMFC涉及简单，且沉积物部分多很有丰富的有机物，故SMFC可作为供长期水下环境监测工具的能量来源。另外，有研究发现根据SMFC的工作原理，也可作为使有机物从沉积物中被分离出的一种新技术。

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