硝酸盐浓度对微生物燃料电池阳极产电性能的影响

采用以假单胞菌Pseudomonas sp.C27为阳极优势菌属的微生物燃料电池(MFC)为研究对象,重点考察了进水中的硝酸盐浓度对于MFC系统产电及污染物去除的影响.实验结果表明,硝酸盐对于MFC的库仑效率(CE)影响较大,当硝酸盐浓度为250 mg·L~(-1)时,其电压下降段库仑效率仅为0.17%,而阳极未加入硝酸盐时,库仑效率为9.3%.当阳极初始硝酸盐浓度由0 mg·L~(-1)增加到250 mg·L~(-1)时,系统的传荷内阻由16.3Ω下降至11.2Ω,输出电压经短暂的电压下降后迅速回升至稳定,其稳定阶段输出电压与未受抑制阶段基本持平,最大输出功率可达到120 m W·m~(-2)左右.当硝酸盐浓度大于300 mg·L~(-1)时,硝酸盐对阳极微生物产电活性造成不可逆的抑制作用,系统产电能力大幅度下降且无法恢复至未受抑制阶段.可见,阳极生物反硝化过程对阳极生物产电具有电子竞争作用,过高的硝酸盐浓度会造成阳极生物膜产电性能降低甚至完全丧失.     

石墨烯掺杂聚苯胺阳极提高微生物燃料电池性能

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）技术可分解代谢污染物质并同步输出电能,在环境及能源领域吸引了越来越多的关注.但是,输出功率密度较低、成本较高、底物降解率低等特点限制了其实际应用,其中阳极是主要限制因素之一.本研究选取具有优异导电性、大比表面积的石墨烯和生物相容性较好的聚苯胺（polyaniline,PANI）,并优化二者比例关系,制备得到石墨烯掺杂PANI复合材料.将复合材料涂覆在玻碳电极表面分析电化学性能,循环伏安（cyclic voltammetry,CV）和线性伏安扫描（linear sweep voltammetry,LSV）测试结果均显示石墨烯含量占比20%的复合电极（20%石墨烯）电化学性能最好.将复合材料修饰在碳布表面作为MFC阳极时以石墨烯含量占比5%的复合电极（5%石墨烯）生物电化学性能最佳,LSV得到最大输出功率密度为（831±45）mW·m^-2,分别是20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、碳布阳极的1.2、1.3、1.3、1.5、1.8倍.最大输出电压、开路电压、化学需氧量去除率、库仑效率、生物量密度均以5%石墨烯电极最高.电化学阻抗分析表明5%石墨烯电极极化内阻仅为（24±2）Ω,是碳布电极的19.8%.电化学和生物电化学性能并不完全一致,说明电极材料的生物相容性是影响MFC性能的主要因素之一.5%石墨烯阳极充分发挥了石墨烯和聚苯胺的优点,提高了MFC的产电性能.     

Fe_3O_4-RGO为阴极催化剂的MFC处理苯酚废水研究

将Fe3O4沉积在还原石墨烯的表面成功制备了Fe3O4-RGO复合纳米材料。扫描电镜检测发现具有尖晶石结构的四氧化三铁均匀地附着在了还原石墨烯的表面。XRD衍射仪检测结果表明复合材料具有多相的结构。将Fe3O4-RGO复合纳米材料作为阴极催化剂用于单室MFC处理苯酚废水试验中,发现MFC的最大输出功率达到了0.283 W/m2,阴极内阻为151.2Ω,这表明Fe3O4-RGO复合纳米材料非常适合作为MFC的阴极催化剂。底物降解实验中发现苯酚和葡萄糖都可以作为MFC的底物进行发电,经过一定的延迟时间后均能够获得稳定的功率输出。同时,苯酚的浓度随着时间的延长逐步降低。     

单室微生物燃料电池产电与脱氮除磷的研究

实验针对空气阴极型单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),研究其产电性能及对实验室模拟废水中有机物、氮和磷元素的去除效果.结果表明,在外电阻为1000Ω的情况下,该电池最大输出电压可达371 m V,最大输出功率密度可达301.6 m W·m~(-2),最大电流密度可达2.4 A·m~(-2),内阻为200Ω.当入水氨氮浓度为4 mmol·L~(-1)时,该电池的产电效果最好,对污染物的去除效果也较好.研究还发现,电池最佳运行周期为72 h,阳极室出水最佳曝气时间为6 h,阳极室出水COD、TN和TP的降解率分别为93.3%、19.7%和44.8%.将阳极液曝气处理后,相对于阳极室入水其TN和TP的总去除率分别可达79.6%和95.2%.另外,通过扫描电镜观察到MFC的阳极液中大多为球形菌,阴极电极表面有针状的结晶形成,经能谱测试为鸟粪石结晶.     

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.     

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.     

水力停留时间对MFC-A2/O工艺处理生活污水的影响

在10 L的A~2/O反应器中构建微生物燃料电池(MFC)系统,以厌氧段作为阳极室去除有机物,缺氧段作为阴极室去除硝酸盐.结果发现,30 d左右可以达到最大输出电流.系统启动后进入稳定期对水力停留时间(HRT)进行优化,结果表明,当HRT=16 h时可以获得最佳出水效果,此时MFC的出水COD、总氮浓度分别比对照A~2/O反应器低14.6%和10.1%,在100Ω外阻下的输出功率密度为612 m W·m~(-3);当HRT=12 h时,产电效果最好,最大输出功率密度可以达到808 m W·m~(-3).     

石墨烯修饰碳毡电极与微生物相互作用过程中的电化学特征

在希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)呼吸驱动下,成功制备了生源性还原态的氧化石墨烯(r-GO)修饰的碳毡电极,进一步研究了r-GO修饰碳毡电极与微生物相互作用的电化学特征.结果表明:经r-GO修饰的碳毡电极与微生物的相互作用程度得到显著提升,这主要是由于修饰后电极的扩散内阻(R_(dif))得到快速降低的结果.将r-GO修饰后的碳毡电极作为阳极应用于微生物燃料电池(MFC)中,经微生物呼吸驱动下的石墨烯修饰电极,由于R_(dif)降低导致电极的电化学活性增强,使得电极和微生物相互作用程度得到提升,从而缩短了MFC启动时间,提高了MFC的产电能力.研究进一步表明,r-GO对电极的修饰,调控了对电极电化学活性及生源性电子向电极表面的传递过程.     

微生物燃料电池强化去除农药2,4-二氯苯氧乙酸及同步产电性能

研究了广泛应用的农药2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)存在对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFCs)产电性能、污染物去除及微生物群落结构的影响,并探讨了阳极预曝气对2,4-D的强化去除及产电影响.结果表明,向以乙酸钠为燃料的双室型微生物燃料电池阳极室内加入2,4-D,会降低系统输出电压,降低功率密度,增加内阻.当300 mg·L~(-1)的2,4-D与乙酸钠(850 mg·L~(-1))共存时,与乙酸钠单基质相比,最大功率密度从0.151 W·m~(-2)迅速下降到0.057 W·m~(-2),内阻相应从524Ω增加到1 230Ω.为了加快系统中2,4-D的去除,减少其对产电菌的抑制效应,采用阳极预曝气6 h的运行方式,显著提高了2,4-D去除效率,同时获得了0.42~0.47 V的最高输出电压.2,4-D加入后MFC阳极微生物群落结构发生了变化,选择出了多种2,4-D降解菌及具有2,4-D耐受能力的产电菌.研究表明,可以通过阳极预曝气方式强化2,4-D去除的同时从MFCs系统回收电能.     

以苯胺和葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的产电特性研究

通过构建空气阴极型双室微生物燃料电池(Microbial FueI Cell,MFC),并以苯胺和葡萄糖为燃料,研究了MFC对苯胺的降解特性及MFC 的产电性能.结果表明,在1000Ω电阻下,500mg·L-1葡萄糖为单一燃料时,MFC的最大输出电压为440mV,最大输出功率密度为215mw·m-2.当苯胺的初始浓度为...     

石墨烯凝胶电极的制备及电吸附Pb2+的性能

电吸附去除水中重金属离子具有吸附容量高和电极可再生的优点.本文采用高温水热法还原氧化石墨烯(GO)得到石墨烯水凝胶(GS)并经压片制得GS电极.本文对GS电极的电化学性能进行了测试,考察了GS电极电吸附Pb~(2+)的动力学和热力学特性,以及电极的脱附和循环使用情况.结果表明,GS电极的电化学性能优异,其单位质量比电容高达200.4 F·g~(-1)(1 A·g~(-1));提高电压有利于GS电极电吸附Pb~(2+),电压为-1.2 V时,GS电极对Pb~(2+)的去除率达96.4%;GS电极电吸附Pb~(2+)的饱和吸附量达461.20 mg·g~(-1),是不加电时饱和吸附量的2倍;施加反向电压可以实现Pb~(2+)的脱附和电极再生,电吸附-脱附15次后,电极对Pb~(2+)的去除率保持在95%以上.     

2,6-二氨基蒽醌/石墨烯复合电极强化电吸附Pb2+

电吸附高效去除水中重金属离子的关键在于开发性能优异的电极材料.采用2,6-二氨基蒽醌(DA)修饰还原氧化石墨烯(r GO),通过溶剂热法成功制备了DA@rGO复合电极,考察了复合电极的电化学性质及电吸附Pb~(2+)性能.循环伏安测试表明,复合电极电化学性质优异,比电容在电流密度为1 A·g-1时达到304. 4 F·g-1,DA修饰显著提高了复合电极的赝电容.电吸附Pb~(2+)测试表明,施加电压为-1. 2 V时电吸附效果最优,反应60 min后Pb~(2+)去除率达94. 8%.电吸附过程符合一级动力学方程,Langmuir模型拟合得到Pb~(2+)的饱和吸附量为356. 66 mg·g-1,明显高于r GO电极(319. 40 mg·g-1),DA修饰引起的电容增加是复合电极Pb~(2+)吸附量提高的重要原因.使用0. 5 mol·L-1硝酸处理可使电极吸附的Pb~(2+)在5 min内脱附完全,实现吸附剂再生.经过10次电极吸附-脱附循环后,DA@rGO复合电极对Pb~(2+)的吸附去除率保持在88%左右,电极循环性能稳定.     

甲烷生物燃料电池的产电影响因素及机制研究

考察了阳极电极材料、电极面积、电极电位、pH、阴极电子受体对甲烷生物燃料电池（MFC）产电性能的影响,并通过高通量测序、循环伏安法（CV）分析了其可能的电催化机制.结果表明,透气布/碳布（GTC）复合材料为阳极时产电性能（1251.3 mA·m^-2）最佳,分别是石墨烯/中空纤维膜（G-HFM）阳极（34.8 mA·m^-2）和碳布（CC）阳极（3.21 mA·m^-2）的36倍和390倍;阳极面积越大,MFC启动时间越快,电流密度越大;当电极恒电位为0.1 V （vs.SHE）时,其产电能力较-0.1、+0.3及+0.5 V时高;pH=7最有利于产电;溶解氧为MFC阴极电子受体时,最大功2率密度（703.9 mW·m^-2）优于铁氰化钾（457.2 mW·m^-2）、空气阴极（124.2 mW·m^-2）和高锰酸钾（20.7 mW·m^-2）作为电子受体的MFC.阳极室微生物群落结构分析显示,电活性细菌Geobacter（17.14%）和Desulfovibrio（8.51%）为优势种,其产电机理可能是甲烷氧化菌（Methanobacterium、Methylomicrobium等）与电活性细菌协同氧化甲烷驱动MFC产电.添加NO气体、N-乙酰蛋氨酸和蛋白酶K均可明显抑制阳极生物膜的电化学活性,表明其胞外电子传递过程依赖细胞色素c、Ni-Fe氢酶及与电极接触的外膜蛋白的介导作用.     

TA修饰GO-ZIF复合纳滤膜对染料MB的去除

采用层层自组装法,在氧化石墨烯（GO）中原位生长ZIF-8,GO-ZIF复合纳滤膜中的GO层间距被成功扩大.通过单宁酸（TA）的修饰,GO-ZIF-TA复合纳滤膜的渗透通道被进一步优化以提高通量和抗污染性能.采用SEM、XRD、FTIR等对复合膜材料进行表征和死端过滤对膜性能进行测试.GO-ZIF复合纳滤膜过滤50 mg·L^-1甲基蓝（MB）时水通量达到40.01 L·m^-2·h^-1,是GO膜水通量的2.4倍,其MB截留率为92.63%.采用TA对GO-ZIF复合纳滤膜进一步改性优化,得到的复合纳滤膜过滤MB时水通量达到47.09 L·m^-2·h^-1,并保持92.13%的MB截留率.TA沉积使膜表面更光滑并改善膜的亲水性,GO-ZIF-TA复合膜表现出良好的抗污染性.     

功能化石墨烯对苯并[a]芘高效降解菌Paracoccus aminovorans HPD-2生长的促进作用

研究石墨烯对微生物生长的影响,深入探讨石墨烯和微生物之间的相互作用,对科学评估石墨烯的生态安全性具有重要的现实意义.本文研究了两种功能化石墨烯(氧化石墨烯和磺化石墨烯)对苯并[a]芘高效降解菌Paracoccus aminovorans HPD-2生长的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱及红外光谱技术深入探讨了石墨烯与菌HPD-2之间的作用机制.结果表明,两种石墨烯对菌HPD-2生长的影响与培养体系中营养水平有关,石墨烯的种类和浓度也是重要影响因素.低浓度石墨烯(0～10 mg·L~(-1))对菌HPD-2生长无影响,较高浓度石墨烯(100 mg·L~(-1))能够显著促进菌HPD-2的生长(p0.05).两种石墨烯均能促进菌HPD-2胞外聚合物的分泌.与菌HPD-2发生相互作用后,低浓度氧化石墨烯的D峰和G峰的相对强度比值(I_D/I_G)显著提高,结构无序性增加,较高浓度石墨烯与菌HPD-2发生了明显的相互作用,并在菌体表面存在一定程度的堆叠,细胞表面蛋白质、氨基酸和胞外多糖均参与了两者之间的相互作用;相比于氧化石墨烯,磺化石墨烯与菌HPD-2表面的作用较弱.研究结果有助于深入理解和科学评价石墨烯的微生物效应.     

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.     

生物表面活性剂强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性研究

以剩余污泥为接种液和基质,探讨了添加生物表面活性剂(鼠李糖脂/TSS,0.3 g·g-1)对单室剩余污泥微生物燃料电池(SSMFC)产电特性及剩余污泥减量化的影响.结果表明,在一个运行周期中,对照组的产电周期为20 d,最大功率密度为236.8 mW·m-2,库仑效率为5.7%,TCOD去除率为28.6%,TSS去除率为28.9%,VSS去除率为33.4%,而实验组产电周期达到35 d,库伦效率为11.8%,最大输出功率密度为516.7 mW·m-2,较对照组增加了118.2%,TCOD、TSS、VSS去除率分别为58.5%、56.7%和66.3%,较对照组分别提高了104.5%、96.2%和98.5%.随着系统的运行,对照组和实验组系统输出电压均是先稳定一段时间后逐渐降低,污泥中SCOD、蛋白质和溶解性糖浓度均呈先上升再下降趋势.采用向剩余污泥中投加鼠李糖脂的方法可以增强SSMFC的产电效率,同时能显著增强剩余污泥减量化效果.     

石油污染物对海底微生物燃料电池性能的影响及加速降解效应

海底石油污染物在缺氧环境下导致其生物降解过程缓慢,对海洋环境造成长期危害.本文利用海底微生物燃料电池(BMFCs)原理,尝试通过电催化作用提高海底石油污染物的降解速率.对比测试了含油电池装置(BMFCs-A)与无油电池装置(BMFCs-B)的电化学性能,研究了石油污染物对电池性能的影响;比较了含油通路(BMFCs-A)和断路状态下(BMFCs-C)的石油降解率和细菌聚集量,分析了BMFCs对石油污染物降解的加速作用.结果表明,BMFCs-A和BMFCs-B阳极的交换电流密度分别为1.37×10-2A·m-2和1.50×10-3A·m-2,最大输出功率密度分别是105.79 m W·m-2和83.60 m W·m-2,BMFCs-A装置的抗极化能力增强,交换电流密度提高近9倍,最大输出功率密度提高1.27倍.BMFCs-A和BMFCs-C阳极表面的异养菌数量分别是(66±3.61)×107CFU·g-1和(7.3±2.08)×107CFU·g-1,细菌数量增加了8倍,高的异养菌数量导致石油降解加速进行,BMFCs的石油降解率是自然条件下的18.7倍.BMFCs在电化学性能提高的同时,加速石油污染物的降解.本文同时提出了一种海底微生物燃料电池对石油污染物加速降解的新模式.     

汲取液对正渗透微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的影响

以垃圾渗滤液为阳极液,系统研究了汲取液种类和浓度对正渗透微生物燃料电池(OsMFC)工艺处理垃圾渗滤液性能的影响.结果表明,在汲取液为氯化钠的情况下,OsMFC工艺的最大功率密度可达0.44 W·m~(-2),表观内阻为236.75Ω,水通量为0.98 L·m~(-2)·h~(-1),TOC、NH_4~+-N、TN和TP的去除率分别达到89.51%、93.27%、94.01%和96.95%,均好于碳酸氢钠和碳酸氢铵作为汲取液时的处理效果.此外,氯化钠汲取液浓度越大,产电性能越好,表观内阻越小,水通量越大.产电性能随汲取液浓度的增大变化不大,在汲取液浓度为1 mol·L~(-1)的情况下,水通量和盐返混量的比值最大,处理效果最好.     

微生物燃料电池改性阳极处理PTA废水

探讨了不同改性阳极对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)产电性能及其对MFC处理难降解废水能力的影响.以单室空气阴极为基础,利用0.1 g电气石、质量分数75%二氧化锰/埃洛石纳米管(manganese bioxide/halloysite nanotube,MnO_2/HNT)和多壁碳纳米管-羧基(multi-walled carbon nanotube-carboxyl,MWCNT-COOH)对MFC阳极进行修饰.结果表明,不同改性阳极的MFC对含精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,PTA)废水的去除率均高于70%,且化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率在79%以上.相较于其他几种改性阳极,以MWCNT-COOH改性材料作阳极的MFC产生的最大输出电压最高,获得的最大功率密度最高,分别为529 mV和252.73 mW·m~(-2).