具有可再生阴极的碱性微生物燃料电池内多场驱动的多组分物质传输特性研究

微生物燃料电池(MFC)是一种能同时处理废水和回收能源的技术，但MFC产电性能的低下制约了它的实际工程应用。本项目综合考虑了MFC阴阳极间多场驱动的多组分传递过程和阴极电子受体的传输和转化对MFC产电性能的影响，针对目前MFC技术中存在的氧气传质效率低，阴极电子受体电化学活性不高和阴极受体依赖于酸性条件再生的局限，创新性的提出以能在碱性条件下再生的Co(III)络合离子为阴极电子受体，阴极具有气液膜接触器的MFC体系，实验研究该种电池体系中考虑了离子、氧气和阴极电子受体等多组分在阳极水相－离子交换膜－阴极水相间的耦合传输过程影响的电极生化和电化学反应特性以及阴极电子受体再生转化特性；并在此基础上建立能够完整描述电池内生化反应、阴极电子受体的传递与转化、多组分离子电迁移等多过程耦合的理论模型，计算并讨论电池内物质传输、生化反应过程、阴极电子受体的再生过程与电池产电特性之间的相互作用关系。

微生物燃料电池(MFC)是一种能同时处理废水和回收能源的技术，它可以把对环境和经济发展造成极大影响的污染物转变为可被人类所直接利用的电能，因此将MFC应用于污水处理领域，不仅能节省大量的污水处理费用，同时还能产生一定的经济效益，是极有价值的可再生能源。然而其产电效率和电池性能较低，如何大幅度提高MFC 的产电效率和电池性能仍然是全世界范围内MFC 技术拟解决的关键问题。本项目综合考虑了MFC阴阳极间多场驱动的多组分传递过程和阳极底物的传输和转化对MFC产电性能的影响，针对目前MFC技术中存在的传质效率低，电极电化学活性不高和底物酸化抑制阳极生物膜活性的局限，创新性的提出能在碱性条件下培养运行的微生物燃料电池，通过对电池进行变pH培养增加生物膜对pH变化的适应能力，从而降低由于传质导致的生物膜内pH变化对其活性的抑制；采用化学、电化学改性的方法与途径，增加表面含氧、氮官能团，改变电极亲疏水性增强电极表面活性，促进生物膜的附着与生长；构建阳极蛇形流道、旋转阳极、创新性使用竹炭管、碳刷作为阳极材料、阳极液循环等方案，有效的强化了底物的传质。针对微生物燃料电池的实用化，构建扩大化微生物燃料电池，并研究参数对阳极电流分布特性的影响；耦合光纤生物膜制氢反应器系统，深入探讨MFC对产氢能力的强化和系统的调节作用。同时，实验研究了电池体系中质子、氧气和底物等多组分在阳极水相－离子交换膜－阴极水相间耦合传输过程影响的电极生化和电化学反应特性以及生物膜活性等特性；并在此基础上建立能够完整描述电池内生化反应、阳极底物的传递与转化、多组分离子电迁移等多过程耦合的理论模型，计算并讨论电池内物质传输、生化反应过程与电池产电特性之间的相互作用关系。. 本项目预计在国内外学术期刊和会议论文集上发表论文15～20 篇，其中SCI、EI 检索论文10～15 篇。发明专利2～4 项。培养研究生4 名。实际完成SCI论文17篇，EI论文11篇。发明专利4项，培养硕士、博士生7名，超额完成预期任务。