利用微生物燃料电池回收含铜废水中的铜

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材料,有机废水为阳极底物,以厌氧活性污泥为厌氧菌种,含铜废水为阴极液,构建了双室MFC反应器。研究了利用双室MFC产电的同时从含铜废水中回收单质铜的可行性,结果表明:连续流MFC最大电流密度可达0.63 mA/m2,产电性能略好于间歇流MFC。加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC,其最大电流密度可达4.44 mA/m2,是加入磷酸盐缓冲溶液的间歇流MFC的7.05倍,是未加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC的1.92倍。间歇流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu2O,连续流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu和Cu2O的混合物。MFC对含铜废水中Cu2+去除率均可达80%左右,尤其是连续流MFC,对Cu2+去除率可达99%以上。     

不同类型阴极微生物燃料电池产电性能的比较

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材料,有机废水为阳极底物,以厌氧活性污泥为厌氧菌种,阴极室分别接种驯化后的好氧生物污泥、厌氧生物污泥、含铜废水、FeCl3溶液,构建了双室MFC并比较了4种MFC的产电性能。结果表明:连续流状态下,好氧生物阴极MFC产电性能略优于厌氧生物阴极MFC;间歇流好氧生物阴极MFC其最大电流密度是连续流好氧生物阴极MFC的1.38倍。间歇流状态下,FeCl3溶液为阴极液MFC产电性能略优于以含铜废水为阴极液的MFC。连续流状态下,以含铜废水为阴极液MFC产电性能远远高于连续流生物阴极MFC。     

剩余污泥燃料电池处理含铬废水的效能及机理

采用剩余污泥为阳极底物,六价铬为阴极电子受体,构建双室微生物燃料电池(MFC).MFC启动成功后,考察阳极室污泥初始浓度和阴极室六价铬初始浓度对MFC产电性能及六价铬还原速率的影响.较高的污泥浓度(8~12g/L)对六价铬的还原速率影响均较小,且去除率均可达99%以上.污泥浓度为10g/L的MFC具有较高的产电性能,内阻为108Ω,最大功率密度输出为3621mW/m3.阴极室较高的Cr(VI)初始浓度可维持较长时间的高输出电压,但对阳极污泥降解并无明显影响.XPS测试结果表明,阴极Cr(VI)的还原产物为Cr(III),因电场作用被吸附在电极片上,使得阴极溶液中的总铬浓度降低.研究表明,剩余污泥为底物的微生物燃料电池可以在产电的同时实现剩余污泥的资源化及电镀废水的无害化.     

废旧印刷线路板电解过程中铜的分布特性

以废旧印刷线路板粉末为原材料,采用压片电解方法回收单质铜,研究了CuSO_4·5H2O浓度、H_2SO_4浓度、电流密度、电解时间和NaCl浓度对电解过程中Cu分布特性的影响。结果表明:废旧印刷线路板中的Cu以Cu2+的形式进入溶液,最终以粉末形式沉积在阴极;过高的H_2SO_4浓度、电流密度和NaCl浓度会导致析氢反应等,从而降低Cu在阴极和溶液中的分布;当CuSO_4·5H_2O浓度、H_2SO_4浓度、电流密度、电解时间、NaCl浓度分别为50 g/L、6 mol/L、80 m A/cm~2、5 h、40 g/L时,Cu在阴极、溶液、阳极泥中的分布比率分别为63.16%、34.14%和2.70%。     

利用含Cu(Ⅱ)废水强化微生物燃料电池处理含Cr(Ⅵ)废水

采用双室微生物燃料电池(MFC)反应器,考察了不同Cr(Ⅵ)/Cu(Ⅱ)浓度配比和外电阻条件下添加Cu(Ⅱ)对MFC阴极去铬的影响.结果表明,MFC阴极处理Cr(Ⅵ)废水时,添加一定浓度的Cu(Ⅱ)废水能提高MFC阴极去铬的效率,且添加Cu(Ⅱ)的浓度越高,提高的效果越明显.在所设置外电阻(10、500、1 000、2 000Ω)条件下,随着外电阻的降低,Cu(Ⅱ)对MFC阴极去铬的强化作用越明显.最终在Cr(Ⅵ)/Cu(Ⅱ)质量浓度配比1∶4,外电阻10Ω时,MFC阴极Cr(Ⅵ)的去除率达91.00%,较单独去铬时(39.13%)提高了132.57%.对反应后的电极进行扫描电镜附加能谱分析及X射线光电子能谱分析表明,Cr(Ⅵ)在阴极的还原产物为不导电Cr_2O_3,其附着于电极表面引起电极导电性能下降,而添加Cu(Ⅱ)后其在阴极还原为Cu和Cu_2O,该产物则在一定程度上提高了电极导电性能,缓解Cr_2O_3沉积造成的阴极钝化,从而强化了MFC阴极去铬的效率.     

铜离子对双室微生物燃料电池电能输出的影响研究

通过分别或同时向阳极室和阴极室添加Cu2+,借助铜在体系中的分布解析,研究了Cu2+对体系内阻及其分布、电能输出、库仑效率等的影响,以期为微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理含铜废水的相关研究提供有益参考.结果表明,阳极添加10 mg·L-1的Cu2+会增大体系阳极反应的活化内阻及总体表观内阻,降低体系的电能输出和库仑效率,而阴极添加500 mg·L-1的Cu2+可显著降低阴极反应的活化内阻及总体表观内阻,提高体系产电效率.铜在体系中分布的研究表明,阳极室Cu2+不会向阴极室迁移扩散;当阴极添加Cu2+时,大部分被还原沉淀,另一部分因浓度梯度透过质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)迁移扩散至阳极室(2.8%),影响产电微生物活性及系统的电能输出,仅有少部分Cu2+残留于阴极上清液中.     

改性污泥灰去除废水中Cu~(2+)试验研究

测试了污泥灰的化学成分并对其进行酸化改性,考察了振荡时间、溶液pH值和反应温度对改性污泥灰去除废水中Cu2+的影响;改性污泥灰对Cu2+的吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型,其对Cu2+的最大吸附容量可达7.78mg/g。     

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.     

铜、锌离子对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥,研究了Cu2+、Zn2+浓度变化对厌氧氨氧化污泥脱氮效能长短期的影响.短期实验结果表明,铜、锌离子对厌氧氨氧化污泥的脱氮效能影响主要分为3个阶段.刺激阶段,Cu2+浓度0~1mg/L和Zn2+浓度0~4mg/L时,随着进水金属离子浓度的增加,微生物活性受到刺激,氮去除速率迅速增加;稳定阶段,Cu2+浓度1~8mg/L时,氮去除速率处于稳定状态.抑制阶段,Cu2+浓度大于8mg/L和Zn2+大于4mg/L时,随着进水金属离子浓度的增加,氮去除速率逐步下降.Cu2+、Zn2+对厌氧氨氧化污泥脱氮效能长期影响表明,当进水Cu2+浓度达到4mg/L和Zn2+达到8mg/L时厌氧氨氧化污泥的活性将受到抑制.降低进水重金属浓度后,厌氧氨氧化污泥活性可以得到恢复.厌氧氨氧化菌对Cu2+的敏感性强于Zn2+.     

厌氧发酵污泥燃料电池处理含铬废水的效能及机理

以厌氧发酵污泥为阳极底物、Cr(VI)为阴极电子受体构建双室微生物燃料电池(MFC),考察厌氧发酵污泥MFC系统处理含铬废水的性能及机理,并与原污泥MFC系统进行比较.发酵污泥MFC系统的开路电压为1.05V,最大功率密度为5722mW/m3,比原污泥MFC系统提高了57.8%.发酵污泥MFC系统的表观内阻为119.1Ω,比原污泥MFC系统降低了8.5%.发酵污泥MFC系统对Cr(VI)的去除符合一级动力学模型,速率常数为0.0514h-1,比原污泥MFC系统提高了36.7%.污泥经厌氧发酵后可溶性有机物浓度增加,产生了大量短链脂肪酸,它们是产电微生物易于摄取的阳极底物,因而提高了MFC系统的产电性能及Cr(VI)去除效果.     

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.     

PPy/TiO2光催化微生物燃料电池产电及在钴酸锂浸出中的应用

以无水氯化铁为氧化剂,碳纸为基板,通过化学氧化法制备聚吡咯/二氧化钛（PPy/TiO₂）光电阴极,采用XRD、IR、SEM对光催化材料进行表征.以碳纸为阳极;碳纸、TiO₂改性碳纸和PPy/TiO₂改性碳纸为阴极,构建双室微生物燃料电池（MFC）.在光照条件下,研究了MFC废水处理效果、产电性能及阴极钴酸锂的浸出情况.结果表明：PPy/TiO₂改性碳纸最大功率密度为10425.7mW/m²,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.97和1.86倍;PPy/TiO₂改性碳纸阴极Co（Ⅱ）浸出率为47.8%,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.87和1.76倍.     

PPy/TiO2光催化微生物燃料电池产电及在钴酸锂浸出中的应用

以无水氯化铁为氧化剂,碳纸为基板,通过化学氧化法制备聚吡咯/二氧化钛（PPy/TiO₂）光电阴极,采用XRD、IR、SEM对光催化材料进行表征.以碳纸为阳极;碳纸、TiO₂改性碳纸和PPy/TiO₂改性碳纸为阴极,构建双室微生物燃料电池（MFC）.在光照条件下,研究了MFC废水处理效果、产电性能及阴极钴酸锂的浸出情况.结果表明：PPy/TiO₂改性碳纸最大功率密度为10425.7mW/m²,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.97和1.86倍;PPy/TiO₂改性碳纸阴极Co（Ⅱ）浸出率为47.8%,分别是碳纸和TiO₂改性碳纸的1.87和1.76倍.     

阳极材料对6 L微生物燃料电池性能及有机废水处理效果的影响

阳极材料是影响微生物燃料电池实用化的关键因素之一.本文以碳刷、碳布或石墨毡阳极和泡沫镍空气阴极制成紧凑式6 L单室双空气阴极微生物燃料电池(MFC),研究不同阳极材料对电池启动过程和运行以乙酸钠为基质的人工废水和实际屠宰废水的产电性能和废水处理效果的影响,比较了单位阳极成本的产电效益.结果表明:阳极材料对紧凑式MFC的启动过程没有明显影响;在产电性能方面,碳刷阳极MFC在人工废水和屠宰废水中的输出功率密度最高,分别为(56.3±1.8)W·m~(-3)和(19.5±0.8)W·m~(-3),其次为碳布阳极MFC,分别为(46.0±1.7)W·m~(-3)和(16.9±0.6)W·m~(-3),最差的是石墨毡阳极MFC,分别为(40.8±1.5)W·m~(-3)和(11.9±0.5)W·m~(-3);在废水处理效果方面,不同阳极MFC在运行人工废水或屠宰废水时COD去除率没有明显差别,均在90%左右.碳刷阳极MFC所产生的经济效益最高,在运行乙酸钠和屠宰废水时分别为(3.44±0.08)m W·元-1和(0.97±0.05)m W·元-1,分别比碳布MFC和石墨毡MFC高18.6%、12.8%和38.7%、80%.本研究结果说明碳刷是微生物燃料电池实用化过程中最合适的阳极材料.     

外阻对三室MFC产电性能和Cu迁移特性的影响

构建一种新型的三室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）对重金属Cu污染的土壤进行修复,研究不同外阻条件下MFC的产电性能和土壤中Cu的迁移去除情况.结果表明,当外接电阻从100Ω增大到1000Ω时,三室MFC的输出电压从0.1V提高到0.4V,最大功率密度从1.10W/m³降低到0.71W/m³,且阴极极化现象也随外阻增大而更加显著.装置运行63d后,MFC外接电阻越大,近阳极土壤区的Cu的去除率越高,外阻为1000Ω的MFC近阳极土壤区的Cu去除率达到39.7%.通过改进欧共体标准（BCR）连续提取法分析重金属的形态,发现乙酸可提取态和可还原态为Cu迁移的两种主要形态.此外,土壤的性质也发生变化,pH值呈现由阳极到阴极逐渐升高的趋势,而电导率则相反.阴极电极的扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）结果也表明部分迁移到阴极的Cu（Ⅱ）被还原成单质Cu.     

电极活性菌分离过程中微生物群落结构动态特征解析

为探讨培养过程对微生物的选择性作用及电极活性菌在生物膜中的功能地位,采用亨氏厌氧滚管稀释培养技术,以氧化铁为指征,自微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极生物膜中分离电极活性微生物,并对纯菌分离过程中微生物群落结构动态特征进行跟踪监测.结果表明,以乳酸、乙酸和甾体药物生产废水为底物的MFC最高电压分别可达0.57、0.60和0.40 V.种泥以及乳酸、乙酸为底物的阳极膜分离出的优势菌种均为变形杆菌,而甾体废水为底物的阳极膜分离出的优势菌包含变形杆菌、厚壁菌和拟杆菌,种类丰富.经过富集培养最终分离获得2株电极活性菌,16S rDNA测序鉴定为路德维希肠杆菌(Enterobacter ludwigii)和弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii).以乳酸为底物,两株纯菌可分别获得0.10V和0.17 V的最大电压.该研究表明,应用氧化铁为指征的厌氧梯度稀释培养技术可分离到电极活性微生物,但由于分离过程的选择作用,微生物群落结构动态变化特征显著.     

Performance and recent improvement in microbial fuel cells for simultaneous carbon and nitrogen removal: A review

Microbial fuel cells (MFCs) have become a promising technology for wastewater treatment accompanying electricity generation. Carbon and nitrogen removal can be achieved by utilizing the electron transfer between the anode and cathode in an MFC. However, large-scale power production and high removal efficiency must be achieved at a low cost to make MFCs practical and economically competitive in the future. This article reviews the principles, feasibility and bottlenecks of MFCs for simultaneous carbon and nitrogen removal, the recent advances and prospective strategies for performance improvement, as well as the involved microbes and electron transfer mechanisms.