改性蓝藻生物炭促进微生物电合成系统产乙酸的机制研究

微生物电合成系统(MES)是一种以微生物作为催化剂,在阴极电驱动下还原CO₂产生简单化学品的新型碳捕获利用技术.为探究蓝藻生物炭在MES中的添加强化乙酸合成的潜力,本研究通过不同蓝藻生物炭的投加,检测乙酸合成性能及电子回收率,观察阴极微生物分布及形态特征,分析微生物群落结构特征,探究蓝藻生物炭添加对乙酸合成的影响及机制.结果表明,添加蓝藻生物炭(ABC)和过氧化氢改性蓝藻生物炭(ABC-H₂O₂),使MES乙酸产量分别增加了33.8%和77.0%,电子回收率均有所上升,且ABC-H₂O₂组电子回收率高于ABC组.分析蓝藻生物炭电子传递性能和氧化还原活性表明,经过氧化氢改性后的蓝藻生物炭表面含氧官能团数量增加,增强了电子传递能力及氧化活性,有利于微生物通过蓝藻生物炭介导进行间接电子传递.在微生物群落结构方面,蓝藻生物炭的添加降低了产乙酸菌丰度,但提高了微生物群落中电活性微生物和产氢微生物的丰度,使得产乙酸微生物获得更多的电子,实现乙酸合成性能增强.本研究揭示了蓝藻生物炭,特别是改...     

不同外电压下自养型生物阴极还原硫酸盐的性能及生物膜群落响应

微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES)生物阴极还原去除环境污染物的过程中,外加电压的大小可显著影响其性能,阴极生物膜作为去除污染物的关键因子,其对外电压改变的响应尚属未知.本研究构建了双室MES,比较外电压为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 V情形下自养型生物阴极的硫酸盐还原特性及生物膜胞外聚合物和群落结构特征.结果表明,MES的输出电流、周期电荷量、COD去除量与外加电压(0.4~0.8 V)呈正相关关系;外加电压为0.4~0.8 V时,硫酸盐还原量随着电压的升高先升高后降低,在0.7 V时获得最大硫酸盐还原速率[78.9 g·(m3·d)-1]和最高S2-出水浓度(31.9 mg·L~(-1)±2.2 mg·L~(-1));MES的电子回收率最高值为41.8%,推测产氢可能是电子损失的一个途径.阴极生物膜的聚多糖和蛋白量随外电压的升高而增加,0.8 V电压下的生物量比0.4 V提高了70%.阴极生物膜群落结构分析发现,Proteobacteria在门水平分布中占主导,Desulfovibrio在属水平分布中占主导,Desulfovibrio的相对丰度并未随着外加电压的升高发生明显的波动,表明Desulfovibrio在利用阴极呼吸代谢方面具有独特的优势.种水平分析发现,Desulfovibrio magneticus RS-1和s_unclassified_g_Desulfovibrio随着外电压的改变呈现相反的变化趋势.     

不同外电压下自养型生物阴极还原硫酸盐的性能及生物膜群落响应

微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES)生物阴极还原去除环境污染物的过程中,外加电压的大小可显著影响其性能,阴极生物膜作为去除污染物的关键因子,其对外电压改变的响应尚属未知。本研究构建了双室MES,比较外电压为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 V情形下自养型生物阴极的硫酸盐还原特性及生物膜胞外聚合物和群落结构特征。结果表明,MES的输出电流、周期电荷量、COD去除量与外加电压(0.4~0.8 V)呈正相关关系;外加电压为0.4~0.8 V时,硫酸盐还原量随着电压的升高先升高后降低,在0.7 V时获得最大硫酸盐还原速率[78.9 g·(m3·d)-1]和最高S2-出水浓度(31.9 mg·L-1±2.2 mg·L-1);MES的电子回收率最高值为41.8%,推测产氢可能是电子损失的一个途径。阴极生物膜的聚多糖和蛋白量随外电压的升高而增加,0.8 V电压下的生物量比0.4 V提高了70%。阴极生物膜群落结构分析发现,Proteobacteria在门水平分布中占主导,Desulfovibrio在属水平分布中占主导,Desulfovibrio的相对丰度并未随着外加电压的升高发生明显的波动,表明Desulfovibrio在利用阴极呼吸代谢方面具有独特的优势。种水平分析发现,Desulfovibrio magneticus RS-1和s_unclassified_g_Desulfovibrio随着外电压的改变呈现相反的变化趋势。     

CaO2促进MFC同步处理剩余污泥和六价铬废水的效能

为了提高剩余污泥降解效能和废水中六价铬还原效能,研究了CaO₂对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水的影响,考察了不同CaO₂投加量下微生物燃料电池阳极剩余污泥的降解效能、阴极六价铬的还原效能及产电效能.结果表明,当阳极室CaO₂投加量分别为0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8gCaO₂/gVSS时,运行120h后,阴极六价铬还原率分别为73.38%,78.91%,99.47%,97.70%,97.04%,96.37%,运行30d后,阳极剩余污泥TCOD降解率分别为72.4%,76.9%,81.0%,78.2%,75.7%,74.2%.证明投加CaO₂后,六价铬还原率和TCOD降解率都有提高.当投加量为0.2gCaO₂/gVSS时处理效能最好,输出电压最大为1.15V.六价铬还原率提高了36.08%,TCOD降解率提高了11.88%.此外,投加CaO₂后微生物燃料电池电化学活性有所提高,表明CaO₂投加对电池电子传递过程有促进作用.结果说明CaO₂有利于提高对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水效能.     

微波辐射制备Bi2O3/NiF光阳极及模拟日光下光电催化氧化降解罗丹明B

针对粉体Bi₂O₃光催化剂光利用效率低及难回收再利用等技术问题,采用浸渍—微波辐射技术在泡沫镍(NiF)上负载Bi₂O₃来制备Bi₂O₃/NiF光阳极,并借助SEM,XRD,XPS等手段及电化学工作站分析方法研究了光阳极的形貌结构及光电催化氧化性能.结果显示,花簇状的Bi₂O₃成功地负载在NiF的三维骨架上,Bi₂O₃/NiF具有优异的光电转化效率.在最佳制备条件,当光电流密度为15μA/cm²,外加电压为2V、RhB初始浓度为8mg/L、p H值为3的条件下,Bi₂O₃/NiF光电催化氧化降解罗丹明B(RhB)的效率可达95.35%,Bi₂O₃/NiF光电催化氧化降解RhB符合一级反应动力学方程,自由基淬灭实验证实h⁺在Bi_2<...     

光合微生物燃料电池处理餐厨沼液的性能研究

采用小球藻作为双室光合藻微生物燃料电池（PAMFC）的阴极以提供电子受体,实现污水处理和能量回收的双重目的.研究生物阴极接种方式和光照条件对生物产电性能和餐厨沼液废水处理效果的影响,并通过循环伏安法（CV）研究PAMFC电极极化和产电机制.结果表明：微藻生物膜阴极PAMFC污染物去除和产电性能表现优于对照组,COD,TN和TP去除率最高可达82.4%,54.5%和82.3%,开路电压和最大功率密度分别达603.0mV和41.5mW/m².污染物去除主要在阳极发生,但阴极能够还原去除来自阳极的铵根离子,且阴极反应产生氧气作为阳极的电子受体,增大系统电流,提高了阳极处理效率.持续光照下,PAMFC产电性能和污染物去除率略高于间歇光照,但是间歇光照可以避免阳极基质不足时阴极光饱和和氧饱和情况,更符合连续运行要求.PAMFC阴极的CV曲线显示,具有微藻阴极的实验组输出电压更大,还原峰更高,功率密度更强,但需注意长期运行时微藻生物膜增厚影响氧传质效率的问题.     

光合微生物燃料电池处理餐厨沼液的性能研究

采用小球藻作为双室光合藻微生物燃料电池（PAMFC）的阴极以提供电子受体,实现污水处理和能量回收的双重目的.研究生物阴极接种方式和光照条件对生物产电性能和餐厨沼液废水处理效果的影响,并通过循环伏安法（CV）研究PAMFC电极极化和产电机制.结果表明：微藻生物膜阴极PAMFC污染物去除和产电性能表现优于对照组,COD,TN和TP去除率最高可达82.4%,54.5%和82.3%,开路电压和最大功率密度分别达603.0mV和41.5mW/m².污染物去除主要在阳极发生,但阴极能够还原去除来自阳极的铵根离子,且阴极反应产生氧气作为阳极的电子受体,增大系统电流,提高了阳极处理效率.持续光照下,PAMFC产电性能和污染物去除率略高于间歇光照,但是间歇光照可以避免阳极基质不足时阴极光饱和和氧饱和情况,更符合连续运行要求.PAMFC阴极的CV曲线显示,具有微藻阴极的实验组输出电压更大,还原峰更高,功率密度更强,但需注意长期运行时微藻生物膜增厚影响氧传质效率的问题.     

电助光催化氧化苯甲酰胺

以钛板为基材,采用溶胶-凝胶法制备固定膜 TiO₂/Ti 光催化剂,并对其施加一定的阳极偏电压,对苯甲酰胺溶液进行了电助光催化氧化处理.考察了阳极偏电压、溶液浓度和pH值对苯甲酰胺降解效率和光电流的影响规律,并比较了电助光催化氧化与光催化氧化、光解和电解处理对苯甲酰胺去除率的差异.结果表明,外加阳极偏电压可以大大提高光催化氧化技术的处理效率,最佳工艺条件为偏电压+0.6V/SCE,苯甲酰胺溶液的浓度 1.0mg/L,溶液呈酸性.在此条件下,经过 1h的处理,苯甲酰胺的去除率可达 90%.     

TiO2纳米孔阵列光催化废水燃料电池的性能研究

以模拟有机废水和实际有机废水为研究对象,以TiO2纳米孔阵列电极作光阳极,金属铂黑做阴极,设计了一种光催化废水燃料电池(PFC),用于有机废水处理和废水有机物化学能的综合利用.论文考查了不同实验条件下组成的电池体系的性能,表明基于TiO2纳米孔阵列光阳极的光催化废水燃料电池既能处理废水又能够表现出良好的电池性能,如以0.05mol/L乙酸为底物的光催化废水燃料电池,其开路电压1.16V,短路电流1.28mA/cm2,最大输出功率密度0.28mW/cm2.     

温度对电自养氧还原生物阴极电化学性能的影响

生物阴极的应用能够显著降低微生物电化学系统的成本并增强运行的稳定性,其中,环境温度是限制其性能提升的关键因素.因此,本研究通过对比温度对生物阴极和非生物阴极微生物燃料电池（MFCs）电化学性能的影响,证实了生物阴极对提升MFCs产电性能的重要作用.结果发现,生物阴极MFCs在35℃条件下的最大电压为0.70 V,是非生物阴极的1.3倍.原位三电极循环伏安特性测试显示生物阳极和生物阴极的最佳温度有所不同,并且温度对生物阳极的影响大于对生物阴极的影响.本研究表明了生物阴极对MFCs电化学性能提升的重要性,并且优化了电自养氧还原生物阴极的最佳运行温度,为推动其实际应用提供了温度设置的参考.     

Photoelectrocatalytic reduction of CO_2 to methanol over a photosystem Ⅱ-enhanced Cu foam/Si-nanowire system

A solar-light double illumination photoelectrocatalytic cell(SLDIPEC) was fabricated for autonomous CO_2 reduction and O_2 evolution with the aid of photosystem II(PS-II, an efficient light-driven water-oxidized enzyme from nature) and utilized in a photoanode solution. The proposed SLPEC system was composed of Cu foam as the photoanode and p-Si nanowires(Si-NW) as the photocathode. Under solar irradiation, it exhibited a super-photoelectrocatalytic performance for CO_2 conversion to methanol, with a high evolution rate(41.94 mmol/hr), owing to fast electron transfer from PS-II to Cu foam.Electrons were subsequently trapped by Si-NW through an external circuit via bias voltage(0.5 V), and a suitable conduction band potential of Si(-0.6 e V) allowed CO_2 to be easily reduced to CH_3 OH at the photocathode. The constructed Z-scheme between Cu foam and Si-NW can allow the SLDIPEC system to reduce CO_2(8.03 mmol/hr) in the absence of bias voltage. This approach makes full use of the energy band mismatch of the photoanode and photocathode to design a highly efficient device for solving environmental issues and producing clean energy.     

缺氧/好氧电化学膜-生物反应器强化脱氮效果及抗污染性能研究

研究了外加电压下电化学A/O-MBR的污染物去除效果和抗污染性能,分析了抗污染性能提高的原因.结果显示,外加2V电压时系统对COD和总氮的平均去除率分别为89.4%、92.2%,不加电压时COD和总氮的去除率分别为87.6%、77.3%,表明外加电压能够显著提高A/O-MBR的脱氮处理效果;研究同时发现,外加2V电压时,导电膜的平均运行周期为38d,相比不加电压时（平均26d）,运行周期有所延长.污染物与导电膜之间的静电排斥作用和H₂O₂的原位清洗作用是系统抗污染性能提升的主要原因.     

微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究

针对传统硫酸盐生物还原方法中供氢体系能耗大和氢气利用率低的特点,构建双极室微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES),研究了微生物利用阴极作为电子供体去除废水中硫酸盐及电子利用的特性.外加电压为0.8 V时,MES生物阴极在36 h内SO2-4平均去除量为109.8 mg·L-1,平均还原速率可达73.2 mg·(L·d)-1.运行时MES的最高电流密度为50~60 A·m-3,电子回收率为(43.3±10.7)%,约90%的电子被用于还原SO2-4.微生物利用MES阴极产生的H2作为电子供体还原SO2-4,主要还原产物为溶解态的S2-和气态的H2S,还原过程主要发生在前12 h.对MES施加不同外加电压的实验显示,外加电压为0.8 V时的SO2-4去除率和电荷量都比0.4 V时高;但0.4 V情形下MES的电子回收率可达到70%,且周期结束时阴极H2低于检出限,推测微生物可以直接利用阴极的电子从而提高了能量效率.实验结果最终表明,微生物可利用MES的阴极进行代谢去除废水中的SO2-4,阳极微生物产生电子降低了系统能耗,这为含硫酸盐废水的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

微生物光电化学池去除硝酸盐氮:以PANI/TiO2-NTs为光阳极

利用微生物光电化学池(MPEC)去除污染物是一种经济高效环保的方法.本实验在制备获得聚苯胺/二氧化钛纳米管阵列(PANI/TiO_2-NTs)复合光电极的基础上,构建了由PANI/TiO_2-NTs光阳极和生物阴极组成的MPEC系统,并对其去除硝酸盐氮(NO~-_3-N)的性能进行研究.结果表明,PANI负载时间为80 s时,PANI/TiO_2-NTs电极光电性能最佳,相比于TiO_2-NTs电极光电流密度增大约一倍,PANI的修饰有效提高了光能利用率.构建的MPEC系统能在无外加电压的条件下利用光能驱动实现自养反硝化脱氮,NO~-_3-N的生物降解符合准一级反应动力学方程.光响应电流密度越大,系统反硝化脱氮性能越好,NO~-_3-N初始浓度为25 mg·L~(-1)时,当光响应电流密度从0.17 mA·cm~(-2)增加至0.67 mA·cm~(-2),平均反硝化速率从0.83 mg·(L·h)~(-1)增大到2.83 mg·(L·h)~(-1).对生物阴极微生物膜进行了高通量测序,发现Pseudomonas所占比例最大(27.37%)为优势菌属.分析认为PANI/TiO_2-NTs光阳极产生的光生电子通过外电路传递到阴极,Pseudomonas、Alishewanella和Flavobacterium等具有自养反硝化能力和电化学活性的微生物可直接利用电极上的电子作为唯一的电子供体进行自养反硝化脱氮.     

颗粒型厌氧生物膜改善高氢分压下丙酸降解抑制研究

为了改善氢辅助型原位沼气提纯系统中高氢分压对丙酸降解的抑制, 考察了不同颗粒型厌氧生物膜(有无载体、导电和非导电载体) 培养初期和末期的丙酸降解性能;并通过微生物形态和群落分析,探讨了颗粒型生物膜丙酸降解机制.结果表明,导电碳毡厌氧生物膜和厌氧颗粒污泥能有效改善高氢分压下丙酸降解抑制问题.其最大丙酸降解速率分别达到2.2,1.2mmol/(L·h).碳毡厌氧生物膜可能主要通过产酸细菌(Thermovirga、Levilinea、Syntrophomonas属)和产甲烷古菌(Methanosaeta属)的电子直接传递(DIET)途径实现丙酸的降解;而厌氧颗粒污泥降解丙酸的途径可能主要依靠产酸细菌(Syntrophobacter属)与嗜氢型甲烷菌(Methanolinea 、Methanobacterium属)的共生营养代谢过程.     

产氢产乙酸和产甲烷反应对厌氧消化的限速作用

为明晰厌氧消化过程的主要限速步骤,分别以丁酸、乙酸、H₂/CO₂为基质,在37℃和pH 5.00~9.00条件下对厌氧活性污泥进行培养,依据Shelford耐受定律对食丁酸产氢产乙酸菌（SBOB）、乙酸营养型产甲烷菌（ACM）和氢营养型产甲烷菌（HTM）的pH值生态幅及基质转化速率进行分析.结果表明,SBOB、ACM和HTM的pH值生态幅分别为6.19~8.59、5.50~7.74和4.39~9.23,其代谢最适pH值分别为7.39、6.62和6.81.在最适pH值条件下,厌氧活性污泥对丁酸、乙酸、H₂/CO₂的转化速率分别为0.86、1.04和1.09gCOD_equ/（gMLVSS·d）.可见,与产甲烷菌相比,产氢产乙酸菌的pH值生态幅更窄,基质转化速率更慢,对厌氧消化过程具有更为显著的限制作用.     

胶原纤维基多孔碳纤维用于电化学产双氧水——酸处理对产双氧水性能的影响

为获得通过电化学的氧还原反应（ORR）高效原位生成双氧水（H₂O₂）的新型碳材料,基于一类天然生物质-皮胶原纤维为基础材料制备出多孔碳纤维材料（PCFs-x）.利用皮胶原纤维分子中的-COOH、-NH₂等官能团与铁盐之间的较强的络合作用来吸附铁离子,碳化后经酸浸获得PCFs-x材料.XRD、SEM、BET等手段对不同浓度硝酸浸取后所获得的PCFs-x进行系统的结构表征,测试其电子转移数,考察了其氧还原反应活性及电化学还原氧气产H₂O₂的性能.结果表明,胶原纤维经过上述制备流程后可获得有序结构的PCFs-x,其中浓度为1mol/L时获得的材料具有最好的产H₂O₂效果和电流效率,氧还原反应2.5h后H₂O₂累积浓度达到148.81mg/L,电流效率72.33%.实验结果为基于胶原纤维制备新型高效的原位电化学产双氧水的碳材料提供了理论基础与可借鉴的思路.     

光电催化氧化处理高含氯采油废水的研究

以高压汞灯为光源,考察了在光催化、电氧化、光电催化及光电催化/H₂O₂体系中降解实际油田采油废水的效率.研究了实际高含氯采油废水在TiO₂悬浮态光电催化反应器中的降解动力学.结果表明,在相同的槽电压和反应时间下,光电催化体系降解有机污染物的效率均高于电化学氧化和光催化,而且在电氧化和光电催化氧化体系中均检测到有一定量的活性氯产生,从而可以提高有机污染物的降解效率.光电催化/H₂O₂体系中由于在紫外光的照射下H₂O₂分解为大量的·OH从而使得降解效率在短时间内大大提高.同时详细研究了采油废水的初始ρ(COD_Cr),槽电压和溶液pH等对光电催化降解的影响.