生物阴极型微生物燃料电池研究进展

生物阴极型微生物燃料电池利用阴极微生物作为催化剂,降低微生物燃料电池成本的同时提高运行稳定性,受到广泛关注。文章根据最终电子受体将微生物燃料电池分为好氧生物阴极型和厌氧生物阴极型两类,分别对其产电机理、产电及污水净化效果进行评述,在此基础上分析影响生物阴极型微生物燃料电池产电的各种因素,提出生物阴极型微生物燃料电池的发展方向。     

活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能

对双室好氧生物阴极微生物燃料电池的阴极电极材料进行了优化.使用碳纤维刷阴极启动,进入稳定期后向反应器阴极室投加活性炭颗粒(T2)和活性炭粉末(T3),以提升微生物燃料电池的产电性能.实验结果表明,向阴极投加活性炭可以迅速提高微生物燃料电池的输出电压.投加活性炭颗粒后,T2的开路电压和最大功率密度分别提高了42%和237%;投加活性炭粉末后,T3的开路电压和最大功率密度分别提高了12%和42%.优化后的微生物燃料电池对COD的去除率分别是91.5%、90.3%,库仑效率分别提高了54.4%和17.9%.投加活性炭颗粒效果更好,可以显著提高微生物燃料电池产电性能,同时提高微生物燃料电池的COD去除率和库仑效率.     

水生植物在微生物燃料电池中的应用研究进展

微生物燃料电池在降解污染物的同时能将污染物中的化学能转化为电能。研究微生物燃料电池是对污水处理过程中回收环境友好能源的多学科交叉探索,可以为我国有效解决能源与环境问题提供新的技术途径。水生植物在微生物燃料电池研究中已得到了应用,显示出了良好的污水净化效果和生物产电特性。目前利用水生植物构建的微生物燃料电池,一类是将高等植物根区作为电池的阳极系统,目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料问题;另一类是直接将低等水生植物藻类构建生物阴极型微生物燃料电池,其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池而还原CO2。文章对水生植物在微生物燃料中的作用机制、调控措施、运行条件、工艺参数等方面的研究现状进行了综合分析,也提出了需要深入研究的方向。     

微生物电解产氢新技术研究现状与进展

微生物电解产氢是在微生物燃料电池的基础上发展而来的一种新的有潜力的产氢技术。将原有的微生物燃料电池进行适当改装,使其处于厌氧环境中,另外再加一个外加电压,从而使电池的阴极反应变成电子与质子的反应,产生氢气。微生物电解产氢技术的外加电压远低于电解水产氢技术所需的电压,产氢效率也比微生物发酵产氢高,且能将有机物彻底氧化,极大地提高了能源利用率。目前,国外已有研究将该技术应用于城市生活污水、养猪废水等,实现了废水的资源化利用。文章简述了微生物电解产氢的机理,归纳了其系统构成,并结合该技术在微生物、阳极、阴极和膜等方面的发展现状对其应用前景及发展方向进行了探讨。     

双室MFC同时处理活性污泥及氨氮废水的研究

为了探究双室微生物燃料电池同时处理活性污泥及氨氮废水的性能及机理,利用微生物燃料电池阳极室处理活性污泥,阴极室处理氨氮废水。分析了阳极室不同灭菌与未灭菌污泥的添加比例,阴极室是否接种硝化菌及不同氨氮初始浓度下微生物燃料电池的产电特性,通过各反应器的电流密度、功率密度及极化曲线变化来分析微生物燃料电池的最佳运行条件。通过化学需氧量(COD)、氨氮、微生物群落差异化分析微生物燃料电池处理活性污泥及氨氮废水的性能。结果表明:微生物燃料电池在阳极灭菌污泥与未灭菌污泥比例为1∶10时,阳极室COD去除率均达到80%以上,此时阴极室接种硝化菌且氨氮初始浓度为50 mg/L的条件下产电效果最好,获得电流密度峰值为366.38 m A/m~2,且峰值持续时间最长;当阴极接种硝化菌时,不同的阴阳极室条件下阴极室氨氮都可以完全去除。     

聚苯胺/电气石电极对微生物燃料电池的影响

文章以电气石和聚苯胺为材料,利用电化学方法来修饰石墨电极。其中以石墨电极、聚苯胺修饰的石墨电极和聚苯胺、电气石共同修饰的石墨电极作对照实验,分别为微生物燃料电池反应器1、2和3的生物阴极材料。生物阴极型微生物燃料电池是以微生物作为阴极的催化剂,微生物催化剂相比贵金属它不仅降低了微生物燃料电池应用的成本,而且还可以保持高的催化性能。因此,寻找一种高电导率、高生物适应性以及能够加强生物催化性能的电极材料对微生物燃料电池的发展有很大的影响。当反应器外电路电阻控制在800Ω时,反应器1、2和3的最大输出电压稳定在(0.20±0.005)、(0.26±0.005)和(0.37±0.005)V,同时反应器1、2和3的最大功率密度分别为54、138和266 m W/m2。而循环伏安曲线的结果也表明聚苯胺、电气石修饰的电极材料催化性能优于其余2种电极材料。因此说明电气石适合作为修饰生物阴极的材料。     

微生物燃料电池技术治理重金属污染的研究进展

随着工业的快速发展,重金属污染日益严重,传统重金属污染治理技术存在成本高、容易产生二次污染等问题。微生物燃料电池作为新兴的污染治理技术,可在处理污染物的同时回收能量,引起研究者的广泛关注。文章从阴极同步还原、阳极协同去除及与其他工艺结合等方面,综述了微生物燃料电池去除重金属离子的研究进展,并且分析评价了微生物燃料电池在治理重金属污染方面的优势,即不仅可以有效去除重金属离子,还可以回收有价金属,并进一步展望了微生物燃料电池在重金属污染防治与资源回收及与其他工艺结合方面的发展前景。     

“三合一”微生物燃料电池的产电特性研究

为了降低内阻,尽可能提高微生物燃料电池的输出功率,提出了一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的"三合一"膜电极形式的微生物燃料电池,并考察了其在接种厌氧污泥条件下对乙酸自配水的产电特性.该"三合一"电池在稳定运行条件下电池内阻约为10～30Ω,远低于现已报道的其它形式的微生物燃料电池的内阻.目前该"三合一"型微生物燃料电池最大输出功率密度约300 mW·m-2,库仑效率约50%.试验结果表明,在一个间歇运行周期中,电池内阻增加是引起输出电压降低的最主要原因.同时在不同的外阻条件下,需要降低极化的重点不同.     

微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池能够在处理有机污染物的同时回收电能,这种变废为宝的优势使其成为研究的热点。文章回顾了微生物燃料电池的发展历程,着重从反应器构型与材料、运行条件及电子传递机制等方面,系统地阐述了近年来研究的动向与进展,总结了微生物燃料电池可应用的领域,并针对当前研究的不足与面临的问题,提出了今后微生物燃料电池的发展方向与应用前景。     

微生物燃料电池用于废水能源化的研究进展

微生物燃料电池能将废水中有机物的化学能转换成电能,在完成污染去除的同时实现能量回收,是一种新型的环境生物电化学技术。文章介绍了微生物燃料电池的工作原理,系统地总结了微生物燃料电池的技术体系构成要素,从电极构造、产电微生物、质子交换膜、反应器设计等方面阐述了微生物燃料电池研究现状与存在问题。针对微生物燃料电池在未来工程应用要求,指出反应器构型设计、生物电化学技术耦合等为未来研究重点。     

氧化石墨烯与聚苯胺修饰阴极的微生物燃料电池电化学性能

利用聚苯胺（PANI）与氧化石墨烯（GO）来修饰微生物燃料电池（MFC）阴极电极,可以加强氧阴极还原速率并且降低阴极电势损失.本文利用扫描电镜（SEM）、元素分析（XRD）、红外光谱（FTIR）、CV曲线与EIS曲线分析等手段,考察PANI与GO联合修饰MFC阴极的方法及其电化学性能改善效果.结果表明在聚合修饰液中,当苯胺浓度为0.1M时,GO的最佳浓度为0.10~0.12g/L,此时修饰电极的氧还原峰电位最高,CV测试电活性面积最大,EIS的测试表明此时阴极传荷内阻达到最小.研究显示通过使用GO与PANI来共同修饰微生物燃料电池阴极可以使阴极的高电化学活性更高,可提高MFC的最大电压和最大电容.研究结果对优化,MFC的应用与运行具有借鉴意义.     

以预处理剩余污泥为燃料MFC产电性能及不连续供电的可行性

为探讨微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理经预处理后剩余污泥的可行性以及不连续供电能力,采用双室MFC,以剩余污泥热处理上清液为基质进行启动和运行,通过改变电池阴极电子受体而导致电势差变化来监测其产电的运行稳定性.结果表明,反应器以氧气作为阴极电子受体148 h后启动成功,最大输出电压0.24 V,将阴极电子受体换为铁氰化钾时,能获得0.66 V的最大输出电压和4.21 W·m~(-3)的最大功率密度.当将阴极电子受体分别替换为氧气或者开路,又转换为铁氰化钾后,电池输出功率恢复迅速,电池对有机物去除效率基本不受影响,对化学需氧量(COD)、氨氮去除效率分别达70%和80%.本研究表明,利用预处理剩余污泥进行MFC处理和产电是可行的,可获得较高的功率密度,同时MFC可以实现不连续供电.     

微生物隔膜在生物阴极MFC中的应用及效能评价

本文构建了2.0L具有微生物隔膜的模块化生物阴极微生物燃料电池（MFC）,以实际生活污水为底物,在连续流运行模式中,系统考察了微生物隔膜（MS）在MFC长期运行过程中的功能特征.结果表明：发育成熟的微生物隔膜可以稳定维持MFC阴阳极室间的溶解氧（DO）浓度梯度,使阳极室平均DO浓度低于0.5mg/L,同时使完全混合的阴极室COD浓度低于50mg/L,避免了电解液性质对于电极反应的抑制.微生物隔膜可以实现离子的跨隔膜迁移,进而平衡阴阳极室间的pH值;阴阳极室间存在的跨隔膜离子梯度意味着微生物隔膜完全分隔了两极室内不同的微生物代谢类型,阴极快速的好氧代谢可能导致了阴极室离子强度的降低.微生物隔膜对于MFC中COD和DO梯度的保持以及pH值的平衡起到了决定性作用,这将严格保证MFC的正常运行.同时,本文论述了在面向规模化应用的MFC中装配微生物隔膜的巨大技术与经济优势,综合评价了微生物隔膜的效能特征,为进一步推广面向实际废水处理的微生物电化学设备提供了技术支撑.     

Novel microbial fuel cell design to operate with different wastewaters simultaneously

A novel single cathode chamber and multiple anode chamber microbial fuel cell design(MAC-MFC)was developed by incorporating multiple anode chambers into a single unit and its performance was checked.During 60 days of operation,performance of MAC-MFC was assessed and compared with standard single anode/cathode chamber microbial fuel cell(SC-MFC).The tests showed that MAC-MFC generated stable and higher power outputs compared with SC-MFC and each anode chamber contributed efficiently.Further,MAC-MFCs were incorporated with different wastewaters in different anode chambers and their behavior in MFC performance was observed.MAC-MFC efficiently treated multiple wastewaters simultaneously at low cost and small space,which claims its candidature for future possible scale-up applications.     

从废水中回收沼气能及氢能与电能

厌氧发酵制沼气、厌氧发酵制氢和微生物燃料电池技术是利用微生物在废水处理的同时回收能源的三种主要方式。文章结合相关研究现状,介绍了这三种技术的基本原理及其在废水处理领域的发展状况和展望,并对三种生物能源进行了比较。     

微生物燃料电池处理难降解有机废水研究现状

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物直接转化为电能的技术。MFC用于处理难降解有机废水,既可提高废水处理效果,又能产生电能,该技术是近年来的研究热点。从MFC的反应器构型、产电性能和有机物去除效果几个方面讨论了MFC处理难降解有机废水的现状和发展趋势。     

g-C3N4/Cu2O/CF电极制备及在微生物燃料电池中的应用

为了提高微生物燃料电池的产电性能,采用电沉积法将石墨态氮化碳(g-C_3N_4)与氧化亚铜(Cu_2O)负载到碳毡(Carbon felt,CF)表面,制得g-C_3N_4/Cu_2O/CF光电极用于构建微生物燃料电池.通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、光生电流曲线(I-T)、线性扫描伏安曲线(LSV)对光电阴极进行光电性能测试,并在白光发光二极管(LED)辐照下研究了以Cu_2O/CF、g-C_3N_4/Cu_2O/CF为阴极光催化微生物燃料电池的产电性能.结果表明,g-C_3N_4/Cu_2O/CF电极中g-C_3N_4分布在Cu_2O之间;g-C_3N_4/Cu_2O/CF光电极能提高光利用率,与Cu_2O/CF光电极相比,光电流密度达到2700 mA·m~(-2),增长幅度达到125%;与Cu_2O/CF阴极微生物燃料电池相比,g-C_3N_4/Cu_2O/CF阴极微生物燃料电池具有更优的产电能力,在白光LED辐照下最大功率密度和光电流密度达到110.7 mW·m~(-2)和1102 mA·m~(-2),增长幅度达到16%和27%.     

铁硫氮共掺杂多孔碳阴极催化剂强化微生物燃料电池性能的研究

以杨梅为生物质、Fe₂（SO₄）₃为掺杂源,通过水合-热解-碳化的方法制备了FeSN-C复合催化材料,对其进行表征并应用于催化微生物燃料电池的阴极氧还原反应。结果表明:FeSN-C阴极在产能性能上表现优越,产生的峰值输出电压和功率密度为550 mV和854 mW/m2,分别为商业铂碳的98.6%和83.2%。同时FeSN-C阴极具有较低的过电位和高电子转移数（n=3.78）,遵循1个由四电子主导的催化过程。FeSN-C阴极相比于铂碳阴极具有更好的稳定性,在电流衰减测试中,FeSN-C阴极的衰减为17.1%,明显低于铂碳阴极的23.5%。Fe、S、N等原子的掺杂使得碳骨架发生了大量塌陷,这有利于暴露出更多的活性位点,同时Fe、S、N之间的协同作用也是提高阴极氧还原反应性能的关键。