题目：处理粪水的微生物燃料电池及降低成本提高效率研究

水的循环利用是解决空间水资源短缺的重要课题。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）在处理污水的同时产生电能，因此受到广泛的关注和研究，具有处理空间废水的可行性。然而其缺点也显而易见，即电极材料、质子交换膜、载Pt阴极价格昂贵，且产电能力较低。本论文在课题组前期研究的基础上设计并制作出可处理1人粪水的微生物燃料电池系统，进行了模拟粪水的处理实验，并通过筛选新型阳极电极材料，去除质子交换膜，研究生物阴极的可行性，改善电池结构，探索新的产电微生物培养方法等，提高其产电能力，同时较大幅度降低MFCs成本。面向航天生命保障需求，设计了使用3个MFCs处理1人粪水的自动化系统。当阴极可用面积为36 cm2时，MFCs相应输出功率密度分别为56.02、78.24和84.38 mW/m2。减小阴极面积可将MFCs的最大功率密度提高到240 mW/m2。为提高电池产电能力，采用竹炭作为“三合一”膜电极微生物燃料电池的阳极填充材料，加入竹炭增大阳极表面积，可大幅度提高其产电能力，其最高输出电压提高了38.2%；内阻降低了80.8%；最大输出功率由原来的0.22 W/m3增大到1.42 W/m3；库仑效率由15.0%增大到25.6%。为降低电池成本建立了去除质子交换膜的MFC，研究了阴极生物膜和阴极Pt担载面的朝向对电池的影响。阴极内侧生物膜可以阻止氧气渗透到阳极室，使阳极室内ORP值呈逐渐降低的趋势，同时电池的产能会提高，库仑效率增大；阴极生物膜会增大欧姆阻力，使阳极室内ORP值在第6周期后趋于稳定。输出功率会由于欧姆阻力的增大而下降，并在20周期后稳定在0.8 mW左右，库仑效率在第18周期之后趋于稳定。此外，阴极生物膜还可减少阳极液的蒸发散失。电池的阴极Pt担载面朝向阳极溶液时，其性能优于朝向空气时：Pt担载面朝向空气和阳极溶液时，MFC最大输出功率分别为0.144 mW和1.16 mW。为进一步降低MFC成本，进行了生物阴极、无质子交换膜、无贵金属催化剂的微生物燃料电池的可行性研究。对于生物阴极式MFC，阴极室中最适宜反硝化细菌生长的硝态氮浓度为99.22 mg/L；1 h内硝态氮的去除率达到80%；阴极室内COD去除率为62.8%。以涂PTFE的碳纸代替PEM的生物阴极式MFC具备可行性。经过37 d的培养驯化，两者的最高输出电压基本相等，但前者产电更稳定。以分步加液法培养无Pt、无PEM的MFC阳极室中产电微生物，可避免碳氢化合物氧化产物的积累而降低微生物反应过程的效率，提高微生物活性，缩短驯化周期。