论文总字数：18518字

摘 要

随着全世界范围内能源紧缺和环境污染问题的加剧，研发新的环境友好处理工艺从废弃秸秆中回收有价能源已经成为环境工程领域一个重要的方向。沉积物微生物燃料电池因可同时实现为远程监测仪器提供低功率的电能、原微生物修复、生态修复、人工湿地及毒性检测传感器等有价回收的多重功效，具有广阔的应用前景。

本文利用自行创新设计的预处理过后的秸秆的SMFC反应器作为实验模型，分别以三种化学试剂处理过后的秸秆作为底物添加物加入到阳极中,之后对其进行启动运行,电池产电稳定以后分别考察了以预处理秸秆作为底物的SMFC运行第一周期、以预处理秸秆作为底物的SMFC运行第二周期、这两个不同周期运行条件下该SMFC的电压、电流以及功率密度和预处理秸秆中小分子糖的含量。试验结果表明阳极投加3％过氧化氢预处理过后的秸秆的SMFC的产电水平有了明显的提高，最终得到最大输出电压为572 mV，是阳极正常运行期的1.2倍，最大输出功率密度为30.1 mW/m² ，是正常运行期的1.7倍，内阻为为200Ω，是正常运行期的0.25倍从底物添加物不同产电来看，5％氢氧化钠对于以小分子糖产电的提高效率影响不大。而用3％硫酸溶液和3％过氧化氢溶液预处理秸秆的整体的功率密度都要高于对照组，因此3％硫酸溶液和3％过氧化氢溶液更适用于作为预处理秸秆的一种方法。

关键词:秸秆 沉积物微生物燃料电池（SMFC） 输出电压 阳极电位

Study the impact of straw pretreatment on SMFC

Abstract

With the intensification of worldwide energy shortage and environmental pollution problems, the development of new environmentally friendly treatment process is recovered from the waste stalks of valuable energy has become the field of environmental engineering is an important direction. Sediment microbial fuel cells because they can provide while achieving low power for remote power monitoring instrument, the original microbial remediation, ecological restoration, wetland and toxicity testing sensors have multiple effects of price recovery, has broad application prospects.

In this paper, the use of innovative design their own after the pretreatment straw SMFC reactor as an experimental model, namely straw after three chemical reagent as a substrate additive is added to the anode, and then its up and running, the battery electricity production stable after pretreatment were investigated with straw as a substrate SMFC run a first cycle to the straw pretreated substrate as SMFC run a second cycle, the next cycle of these two different operating conditions of the SMFC voltage, current and power density and pretreatment straw small molecule sugar content. The results showed that adding straw anode 3% hydrogen peroxide after the pretreatment level SMFC electricity production has been significantly improved, and ultimately get the maximum output voltage of 572 mV, the normal operation of the anode is 1.2 times the maximum output power density to 30.1 mW / m², is 1.7 times the normal operating period, the internal resistance of 200Ω, is 0.25 times the normal running of additives different from the substrate producing electricity, the 5% sodium hydroxide for sugar producing electricity with small molecules improve the efficiency of little effect. And with 3% sulfuric acid solution and the overall power density of 3% hydrogen peroxide solution pretreated straw to be higher, so the 3% sulfuric acid solution and 3% hydrogen peroxide solution to one more suitable as a pretreatment straw method.

Key words: sediment microbial fuel cell (SMFC); biological anode; the output voltage

目录

秸秆预处理对SMFC影响的研究 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1能源发展与环境问题 1

1.2 沉积物微生物燃料电池 2

1.2.1 沉积物微生物燃料电池的工作原理 2

1.3秸秆原料预处理方法 3

1.3.1 秸秆的主要成分 3

1.3.2 秸秆预处理方法 4

1.4沉积物微生物燃料电池的应用前景 5

1.5 本课题研究内容，目的及意义 5

1.5.1 本课题研究目的及意义 5

1.5.2 本课题的主要研究内容 6

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1主要试剂 7

2.1.2主要仪器 7

2.1.3 相关试剂的配置 7

2.2 SMFCs制备 8

2.2.1 秸秆预处理方法 8

2.2.2 SMFC制作 9

2.3 输出功率的测定方法 9

2.4 LOI的测定 9

第三章 结果与讨论 11

3.1 组装反应器中出现的现象及应对 11

3.1.1 稀碱预处理 11

3.1.2 稀酸预处理 11

3.1.3 过氧化氢预处理 11

3.2 不同预处理过的秸秆作为底物的SMFC的运行情况（第一周期） 11

3.2.1 第一周期电压图 13

3.2 不同预处理过的秸秆作为底物的SMFC的运行情况（第二周期） 13

3.3.1 第二周期电压图 13

3.3.2 极化曲线的比较 15

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 20

第一章 文献综述

1.1能源发展与环境问题

能源就是向自然界提供能量转化的物质源泉，它是人类生存和活动的重要的物质保障。从某种意义上说，人类社会的发展与新型能源的出现和先进技术的应用息息相关。能源发展和环境问题已经成为当今国际社会政治、经济、军事、外交关注的焦点问题。随着人口增长和现代经济社会的发展，世界各国对能源的需求量会持续增长，能源供需矛盾会发生新的变化。能源紧缺问题会愈发明显，能源将成为制约全球经济社会发展的最重要因素之一。生产和消耗能源所导致的全球气候变暖、空气质量的急剧下降和环境日益恶化等问题更会受到国际社会的普遍重视。中国是人口众多的发展中国家，工业化和城市化在相当长一段时期内是中国政府和人民的主要任务，发展过程中的中国能源需求高增长将成为全球最大变化趋势。

中国的环境问题就是世界的，反之亦然。中国城市生态环境的主要问题有大气污染、水体污染、垃圾污染和持久性有机物污染。统计显示中国工业固体废物年综合利用率约为46%，城市生活垃圾年无害化处理率为10%。随着我国经济的高速发展，无序排放的工业污水和生活污水使大量污染物沉积在底泥中。污水中的沉积物又形成污泥污染。污泥具有含水率高的特点，因此污泥污染具有可流动性：可随着雨水冲入水中，造成水体污染；渗入地下，对地下水形成污染；散发出的气体和挥发性有机物还能对周围大气造成污染；同时污泥污染物本身还会对局部土壤造成污染。国外，大多数国家对污泥采用填埋、堆肥、建筑材料利用、焚烧等处置方法。我国污泥处置已有60多年的历史，但处置成本高、技术落后。从我国国情的实际出发，用科学的、发展的、创新的思维来寻找污泥污染物的处置方法，贯彻污泥处置“资源化”、“无害化”原则，保障污泥处置工程“安全可靠，经济合理，管理方便。”是我国污泥污染物处置问题未来的发展方向。脱水，减小体积、提高干度是污泥污染物处理过程中的重要环节，因此一项新的原位修复技术———沉积物微生物燃料电池技术便应运而生。从能源发展与环境问题之间的关系看，优化能源结构，用可再生能源和新能源代替不可再生能源，才能有效适应能源需求的高增长，缓解高增长带来的环境压力问题。

1.2 沉积物微生物燃料电池

在沉积物微生物燃料电池（Sediment Microbial Fuel Cell）中，阳极材料被埋在水底沉积物中，阴极材料则位于阳极上方的水相中。与传统的原位生物修复技术相比较，这种装置结构简单，成本低廉。以电极作为电子受体，无需再向沉积物中投入更多的电子受体或供氧剂，可以在氧化有机物的同时产生一定的电能。目前，SMFC被认为有两个主要的潜在应用领域：①在海洋或内陆水体中为长期监测仪器提供低功率电源；②作为一种新型、高效的沉积物原位生物修复技术^{[1 ]}。由此可见，SMFC技术具有能产生电能、原位修复效率高、可移动的特点，应用前景广泛^{[2 ]}。

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