微生物电解池(第9章)

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1、第九章微生物电解池李永峰教授张洪研究生目录操作原理1能量回收5氢气产率3MEC与MFC系统的差异7MFC系统2氢损失6氢气回收率4操作原理操作方法电解池中与电源负极相连为阴极,阳离子在该极接受电子被还原;与电源正极相连为阳极,阴离子或电极本身失去电子被氧化。该电解池通过阳极微生物的作用,将溶液中有机物降解,同时产生氢离子和电子,电子通过电子载体传递到阳极,再经外电路到达阴极,氢离子通过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极,在外加低电压电源的作用下,在阴极上还原为氢气。优点一优点二优点三原料来源广泛清洁高效,无二次污染应器设计简

2、单,操作条件温和优点一优点二优点三操作原理操作方法优点大多数为混合菌,相对于纯菌,混合菌抗环境冲击能力强、可利用的基质范围广产氢微生物阴极催化剂反应器及操作参数优化阳极采用碳布或碳纸为基材,将催化剂涂布或采用电沉积技术附着在阴极上采用无腐蚀性的导电材料作为阳极,从阴极的具体形式上可以将阳极分为平板式和填料型2种双室、单室、连续式加式操作原理研究高效廉价产氢电极的催化剂,提高电子的传递速率。进一步优化反应器的结构。扩大底物利用范围。研究采用膜技术对氢气进行选择性纯化。操作原理微生物燃料电池研究方向向研究方MFC系统1以阳极微生

3、物作为催化剂,利用电化学技术将废水中有机物的化学能转化为氢能的装置。2由阳极和阴极组成,中间用质子交换膜(PEM)分开。3使用的是自然界筛选到的微生物和醋酸。MFC系统MFC系统一个人口为100000的城市的生活污水可产生多少氢气?(a)计算例1中每年可产生氢气的质量?(b)假设每千克氢气为6美元,这些氢气的价值是多少?相关计算题(a)按例1中的计算结果得到的产氢量如下:(b)据以上条件,氢气的价值为:产氢速率特点一特点二特点三氢的主要来源是水,以水裂解制氢应是当代高技术的主攻方向。电解是一种制备高纯氢气的传统方法,制得的氢

4、气的纯度可达99.9%,但是此工艺只适用于水力资源丰富的地区,并且耗电量较大。在MEC中,人们已经成功地实现了由纤维素、葡萄糖、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸以及戊酸生产氢气。产氢速率研究产氢速率产氢速率表示MEC系统的性能可以用多种方法来表征。产氢率就是其中的一个,它基于COD去除率和YH2(mgH2/mgCOD):氢气的物质的量依照下面的公式计算:对于已知的底物,较容易计算出底物消耗的质量。假设CS为底物变化的质量,摩尔质量为Ms,则产率YH2(gH2/g底物)为:产氢速率计算题葡萄糖细菌发酵最多生成4molH2/mol葡萄糖。

5、(a)将这个结果与MEC系统最大摩尔产氢量对比。(b)将此结果转化为30℃下的体积产量。(a)为了计算摩尔产量,首先把葡萄糖在厌氧条件下生成CO2的化学方程式配平:C6H12O6+6H2O→6CO2+12H2这样,氧化1mol葡萄糖转移24mol的电子,生成12mol的氢气。质量产率如下:(b)利用理想气体定律计算氢气体积得:产氢速率产氢转化过程总结氢气回收率计算方法最大产氢物质的量阴极氢回收率整体氢回收率氢气回收率最大产氢物质的量氢气产率代表了基于COD去除的氢气产量,氢气回收率则以更细致的分析指标表征了系统性能。例如针对

6、特定的底物,氢气的摩尔产量nth为:理论上基于COD去除的最大氢气产率(gH2/gCOD)为:氢气回收率最大产氢物质的量现在,基于库仑效率和阴极氢气回收的物质的量,就可以解释氢气损失是如何发生的了。库仑氢气回收率(库仑效率)是基于测量的电流,计算得到的氢气物质的量nCE为:则库仑氢气回收率rCE可以由下式计算得到:nCE是电路回收电子总物质的量的一半。同时,nth是完全氧化底物转移电子总数的一半。因此,氢气库仑回收率rCE与库仑效率相同。氢气回收率阴极氢回收率已知由电路电流计算出氢气的回收量,就可以知道实际电流产生多少氢气。

7、其中,rCat是阴极氢气的回收率。BEAMR研究中的氢气回收率氢气回收率整体氢气回收率基于氢气的总回收物质的量与理论值之比,产氢效率为:整体氢气回收率最大为rH2=lmol/mol,而对于葡萄糖,氢气产率最大值为YH2=0.126gH2/gCOD。能量回收优点优点一质量最轻的元素。优点二导热性最好的气体,比大多数气体的导热系数高10倍。优点三自然界中存在的最普遍的元素。优点四除核燃料外氢气的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的氢气作为能源的优点能量回收优点无毒燃烧性能好,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,

8、燃烧速度快。可以取消远距离高压输电氢气可以减轻燃料自重利用形式多可以以气态、液态或固态金属氢化物的形式出现能量回收氢气研究处于“中试”阶段的氢气研究(一)异养细菌发酵制氢(二)厌氧梭菌发酵制氢(三)混合微生物发酵制氢(四)活性污泥发酵制氢(五)光合细菌利用有机废水制氢(六)微型藻制氢(七)

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