短臂型空气阴极微生物燃料电池产电特性研究

用夹子将质子交换膜和载铂量为0.2 mg/cm2碳纸固定在阳极室的短臂端口构成短臂型空气阴极微生物燃料电池.利用污泥电池从厌氧消化污泥中富集产电菌于石墨棒表面,循环伏安法检测发现这些微生物具有电化学活性.将富集好的石墨棒作为阳极用于短臂型空气阴极微生物燃料电池,以醋酸钠为底物时该电池的最大功率密度为738 mW/m2,内阻为280Ω,开路电压为741 mV.连续向阳极室通氮气和去掉质子交换膜可分别将电池的最大功率密度提高到745 mW/m2和759 mW/m2,当两者同时作用时最大功率密度可达到922 mW/m2,而这3种条件下电池的内阻仍保持在280Ω左右.当底物浓度在12.62~100.96 mg/L、外电阻为510Ω时,电池的最大输出电压和底物浓度之间存在明显的线性关系(R2=0.99).当底物浓度高于100.96 mg/L时,电池的最大输出电压不再增大并保持在302 mV(外电阻为510Ω).然而,电池的库仑效率则随着底物浓度的提高而提高,从31.83%逐渐增大到45.03%.     

1株产电假单胞菌(Pseudomonas sp.)RE7的分离及特性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要的影响.从已稳定运行1a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16SrRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosastrain CMG587有99%同源性,属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.).利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352mV,相应的最大面积功率密度为69.2mW/m2,体积最大功率密度为6.2W/m3.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）目前仍面临着产能低和成本高的问题,因此系统比较同样条件下不同结构MFC的产电性能对于最终提高其产电效率具有重要意义.通过构建2种不同结构的MFC反应器：单室型MFC和双室型MFC,以乙酸为燃料,固定外电阻为1 000 Ω,对其产电性能进行了比较研究.结果表明,单室型MFC和双室型MFC均可稳定地输出电能,平均最大输出电压分别为600 mV和650 mV,平均运行周期分别为110 h和90 h;单室型MFC和双室型MFC的最大面积功率密度分别为113.8 mW/m²和382.4 mW/m²,最大体积功率密度分别为1.3 mW/m³和2.2 mW/m³;根据稳态放电法确定双室型MFC的内阻为188 Ω,单室型MFC的内阻为348 Ω,双室型MFC的产电性能及运行稳定性均优于单室型MFC.阳极的面积和质子通道的大小都会对MFC的库仑效率产生影响.     

厌氧流化床微生物燃料电池处理废水的产电特性

在内径40mm、高600mm的液固厌氧流化床空气阴极单室微生物燃料电池(MFC)中,分别以污水和椰壳活性炭为液相和固相,采用间歇运行方式,考察了接种厌氧污泥条件下流化状态对电池产电性能的影响.实验结果表明,固定床条件下,电池启动迅速.初始电压为200mV,80h后电压急剧上升,100h后电池开路电压稳定在700～900mV之间.对比电压和功率密度随电流强度变化的曲线知,电池启动成功后,固定床状态下,电池最大输出功率密度随污水循环流速的增加而增大.床层颗粒由固定状态转变为流化状态后,电池最大输出功率密度由初始值120mW·m-3增加至220mW·m-3,说明流化床可以改善MFC阳极室内传质效果,加快反应速率,提高MFC产电性能.     

以玉米秸秆为底物的纤维素降解菌与产电菌联合产电的可行性

利用单室空气阴极微生物燃料电池（MFC）反应器,以玉米秸秆为底物,以本实验室筛选和保存的纤维素降解菌Chaetomium sp.和Bacillus sp.,以及纤维素降解混合菌PCS-S和H-C为秸秆降解的生物催化剂,探讨了以汽爆秸秆固体为底物进行微生物产电的可行性.结果表明,在MFC系统内,纤维素降解纯菌和混合菌均能使纤维素降解,但产生的电压很低（<90mV,1000Ω）,升高温度（30～38.5℃）对电压输出无明显影响.单独以生活污水作为菌源不能直接降解秸秆产电.只有将H-C和生活污水（产电菌源）混合作为接种体,MFC才能获得较高的电压输出.此时得到的以汽爆秸秆固体作为底物时的最大功率密度为406mW·m-2,仅比葡萄糖作为底物时所得到的最大功率密度510 mW·m-2低20%.     

“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.     

利用双室微生物燃料电池处理模拟废水的产电特性研究

本实验通过研究电池的启动过程、阳极有机物降解率和阴极Cu2+的去除率,评价了微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的产电和处理废水性能.以模拟糖蜜废水作为阳极基质,模拟电镀废水作阴极电子受体,建立简单的双室微生物燃料电池.结果表明在外电阻为800Ω的情况下,电池得到最大电压417.00 mV,从极化曲线上获得最大输出功率密度44.17mW.m-2,内阻为293Ω.电池在第五周期时,COD去除率也达到最高47.31%.在第四周期内,Cu2+最大的去除率为59.76%.综上所述,MFC在处理有机废水和电镀废水方面具有可行性.     

1株产电假单胞菌（Pseudomonas sp.）RE7的分离及特性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要的影响.从已稳定运行1 a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16S rRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosa strain CMG 587有99%同源性,属于假单胞菌属（Pseudomonas sp.）.利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352 mV,相应的最大面积功率密度为69.2 mW/m²,体积最大功率密度为6.2 W/m³.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

阳极位置对新型ABR-BEF系统处理性能及微生物群落的影响

研究了阳极所处位置对新型厌氧折流板-生物电Fenton（ABR-BEF）系统处理中药废水效能与产电能力的影响,并对各格室污泥的疏松胞外聚合物（LB-EPS）及紧密胞外聚合物（TB-EPS）组分情况进行了分析,继而通过高通量测序技术对系统中微生物群落演替进行了探讨.结果表明,当将阳极电极位置由系统的第4格室调整到第3、第2格室后,由于阳极与阴极距离的增大,COD平均去除率由原来的90%分别下降到70%和65%;输出电压由149.8mV降至95.3mV、50.0mV左右,同时最大功率密度由76.78mW/m³减少到55.57mW/m³和52.87mW/m³;但阴极室对邻苯二酚的降解率仍保持在95%左右.改变阳极位置后LB-EPS、TB-EPS中蛋白质含量均下降,TB-EPS尤为明显;而对于多糖而言,阳极在第3号格室时,各组分多糖含量最高.阳极位置由第4格室改为第2格室后,第1到第4格室甲烷丝状菌属（Methanothrix）所占比例分别增大到71.09%、72.47%、58.03%和76.79%;在总细菌纲水平上产电菌所属的d变形菌纲（Deltaproteobacteria）在第1到第4格室中分别减少了2.54%、6.06%、4.40%和4.87%,阳极与阴极距离的增大使得产电菌数量减少,这成为该系统产电能力下降的重要原因.     

高浓度苯酚的MFC降解及产电性能

以铁氰化钾溶液作为电子受体,在阴阳两极室中分别填充石墨颗粒的基础上构建了填料型微生物燃料电池(Microbial Fuel cell,MFC),研究了苯酚为单一燃料和苯酚 葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及对苯酚和COD的去除效果.在1OOOΩ外电阻条件下,1000mg·L-1苯酚为单一燃料运行时,MFC在苯酚去除率达到约90%时输出电压达到最大值,最大输出电压为540mV,产电曲线存在单一极大值;以1000 mg·L-1苯酚 500 mg·L-1葡萄糖为混合燃料运行时,最大输出电压可达657mV,产电曲线存在2个峰值,第1峰值和第2峰值出现时对应的苯酚去除率分别约为20%和90%.混合燃料运行条件下,前后2个产电峰值出现时MFC的最大体积(面积)功率密度分别为28.3w·m-3(342.OmW·m-2)和12.6 w·m-3(152.2mW·m-2),内阻分别为194Ω和246Ω.在2种燃料情形下,MFC对苯酚和COD的去除率均可在60h之内分别达到95%和90%以上.试验结果表明,MFC能够利用高浓度苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

电极构型对空气阴极生物燃料电池发电性能的影响

在空气阴极生物燃料电池(ACMFC)中,从阴极扩散进入阳极的氧气能够被兼性微生物作为电子受体还原,进而导致电子损失严重.本研究利用葡萄糖作底物,对2种不同电极构型的空气阴极生物燃料电池ACMFC1和ACMFC2的功率输出和电子回收进行了比较研究.结果表明,ACMFC1的内阻为302.14Ω,阳极电位为-323mV,最大功率密度为3 070 mW/m³;ACMFC2的内阻为107.79Ω,阳极电位为-442mV,最大功率密度达到9 800 mW/m³.在间歇条件下,ACMFC2可以连续运行220h,电子回收率为30.1%;而ACMFC1只能运行不到50h,电子回收率为9.78%.因此,合理的设计空气阴极生物燃料电池电极构型可以减小内阻,增大电池电动势进而增大功率输出,提高电子回收率.     

微波预处理污泥上清液为燃料的微生物燃料电池产电特性研究

采用经微波预处理的剩余污泥上清液作为接种体,成功地启动了空气阴极单室无膜微生物燃料电池(MFC),同时考察了不同微波时间和功率下MFC最大输出功率密度以及外接电阻对MFC的影响.结果表明,MFC整个产电周期长达600h,在同一微波功率(900W)下,MFC最大输出功率密度随辐射时间的延长而增大,在300s时达到210.07mW·m-2;当微波时间(300s)相同时,随着微波功率的增大,MFC最大输出功率在720W处出现一个峰值随后下降.长时间和较高功率(900W)的微波处理能够有效地提高MFC的工作效率;在最佳微波处理条件(300s,720W)下,最大输出功率密度最高可达306.2mW·m-2;不同外接电阻(30、500、2000Ω)下,库仑效率依次为83.3%、79.0%、33.6%;通过扫描电镜观察到,当外接电阻较高(2000Ω)时,阳极表面附着的微生物以球菌为主,外接电阻较低(30Ω)时,形态较为复杂,主要是丝状菌、球菌和杆菌,表明外接电阻会对MFC库仑效率和阳极表面微生物的富集产生影响.     

填料型微生物燃料电池产电特性的研究

将石墨和碳毡作为阳极填料组装成填料型微生物燃料电池,其启动期在1 d左右,低于平板型微生物燃料电池的启动期.碳毡作为填料时,微生物燃料电池的最大产电功率密度为1 502 mW/m2(37.6 W/m3),优于石墨作为填料的MFC.将碳毡与碳纸烧结一体以提高填料型微生物燃料电池阳极的导电性,与平板型微生物燃料电池相比,其面积内阻从0.071 Ω穖2下降到0.051 Ω穖2,最大电流密度从3 000 mA上升到8 000 mA,最大产电功率密度从1 100 mW/m2(27.5 W/m3)上升到2426 mW/m2(60.7W/m3),阳极电势平均下降100 mV.循环流量影响填料型微生物燃料电池的产电能力,当流量低于1 mL/min时,其产电功率密度随流速降低而下降.填料型微生物燃料电池在外电阻为600 Ω下长期稳定运行30 d以上,其库仑效率约为10.6%.     

污泥为燃料的微生物燃料电池运行特性研究

实验采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(MFC),考察了运行特性对污泥为燃料的MFC(SMFC)的影响.研究表明,相对于未搅拌情况,搅拌时SMFC最大输出功率由45.94mW/m2分别增加到124.03mW/m2(1300r/min)和136.5mW/m2(2600 r/min),主要是由于搅拌有利于改善SMFC内物质的传递. 温度对SMFC的产电特性影响较明显,但在一定区间内(如20~25℃;30~40℃;45~50℃)变化不明显,说明产电微生物有一定的温度适应范围,这也可能是在不同温度下产电微生物不同导致.相对于采用未经处理的剩余污泥为燃料,微波处理后的污泥和微波处理过滤后的上清液做燃料时SMFC输出功率迅速增加,这主要是由于污泥中的微生物竞争作用引起.阴极面积的增加有利于降低阴极电势,降低SMFC内阻,从而促进功率密度的增加.     

Nitrite pre-treatment of dewatered sludge for microbial fuel cell application

The effect of pre-treatment of dewatered sludge using different nitrite concentrations and pH for microbial fuel cell (MFC) application was investigated. The results show that the addition of nitrite was feasible to increase the solubilization rate of the sludge and may reduce mass transfer limitation at the anode. This helped the MFC to reach higher voltage and to generate more power. The higher free nitrous acid (FNA) concentration under the acidic condition helped to increase sludge solubilization. However, under an alkaline condition, during which the FNA concentration was relatively low, the solubilization of the sludge was higher. The highest voltage and power density produced was 390?mV and 153?mW/m², respectively, with the addition of nitrite at 100?mg-N/L and pH?9. Furthermore, it was found that elevated levels of FNA could inhibit electrogenic bacteria thus reducing power generation.     

废水同步生物处理与生物燃料电池发电研究

利用厌氧活性污泥作为接种体成功地启动了空气阴极生物燃料电池(ACMFC),110h的接种产生了0.24V的电压;以乙酸钠和葡萄糖作底物分别产生了0.38V和0.41V电压(外电阻1 000Ω),最大功率密度分别达到146.56 mW/m²和192.04mW/m²,表明有机废水可以用来发电;同时,乙酸钠和葡萄糖的去除率分别为99%和87%,表明燃料电池可以处理废水.二者的电子回收率均在10%左右,主要是由于阴极对氧气分子的透过作用引起的微生物好氧呼吸导致电子损失.     

复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能

为研究生物阴极在MFC（微生物燃料电池）中的应用,分别以粒径为2~4 mm的颗粒活性炭和粒径为2~4、4~8、8~12 mm的颗粒石墨为阴极基质材料,构建升流复合生物阴极型单室MFC,研究阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性能和净水效能的影响.结果表明:当阳极基质材料为2~4 mm粒径的颗粒活性炭时,燃料电池中利用玻璃纤维取代离子交换膜,阴极基质材料为选用4~8 mm粒径颗粒石墨的反应柱产电量最大,为534 mV（外电阻为1 000 Ω）,最大功率密度达到631.6 mW/m3,库伦效率为3.82%;阴极的pH越低越有利于阴极的产电反应;不同阴极基质材料的MFC对COD_Cr去除率均在80%左右,TN、NH₄+-N及TP的去除率最高可分别达到79%、93%和34%.研究显示,阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性影响较大,但对其净水效能的影响不大.      

微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

将微生物燃料电池内部各种阻力用表观内阻统一表征,在建立其等效电路的基础上将表观内阻分为欧姆内阻和非欧姆内阻2部分。通过稳态放电法测量微生物燃料电池表观内阻,在改变外电阻后稳定时间需要60s以上方能保证测定准确性,通过稳态放电法测定一室型微生物燃料电池的表观内阻为289?,当外电阻等于表观内阻时微生物燃料电池对外输出功率达到最大,为241mW/m2;通过电流中断法测量一室型微生物燃料电池的欧姆内阻为99?,测定结果与断电前电流强度无关;当一室型微生物燃料电池对外供电分别处于活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区时,非欧姆电阻占总内阻的比例分别为93％、66％和75％,在电池对外供电达到最大时非欧姆占总内阻比例最低。提高微生物燃料电池产电能力需要同时降低电池的欧姆内阻和非欧姆内阻。     

处理垃圾渗滤液的Fe/C空气阴极MFC性能研究

用浸渍法制得硝酸铁/活性炭粉催化剂,通过吸附法将催化剂吸附到碳毡上制作Fe/C催化剂碳毡空气阴极电极.通过改变初始活性炭粉投加量和硝酸铁浓度,考察了两者对以垃圾渗滤液为燃料的MFC产电性能影响;通过循环伏安测试,对不同硝酸铁浓度下自制阴极电极性能进行了评价;在最佳催化条件下考察了装置运行稳定性;并对不同进水COD浓度下同步产电和污水净化性能进行了研究.结果表明,随着活性炭粉投加量或硝酸铁浓度的增加,MFC产电性能均呈现先升高后降低的趋势;当活性炭粉投加量为1 g且硝酸铁浓度为0.25 mol.L-1时,电池性能最佳,功率密度为4 199.8 mW.m-3,表观内阻为465Ω;在硝酸铁和活性炭粉最佳比范围内,MFC的内阻和功率密度分别随着催化剂量的增加而减小和增加;循环伏安测试进一步表明,硝酸铁浓度为0.25 mol.L-1时放电容量最大,且性能稳定;在最佳催化条件下,随着进水COD浓度的增加,MFC产电性能增加,功率密度达5 478.92 mW.m-3,同时COD去除量也增加,最大为1 505.2 mg.L-1,垃圾渗滤液的COD去除率最大达89.1%.