双筒型微生物燃料电池生物阴极反硝化研究

利用双筒型微生物燃料电池生物阴极实现电反硝化脱氮,考察外电阻大小、进水硝酸盐和有机物浓度对产电和反硝化的影响.当外电阻从50Ω下降到5Ω,硝酸盐去除速率由0.26 mg/(L.h)上升到0.76 mg/(L.h);在外电阻为5Ω时,亚硝氮积累浓度达55 mg/L;硝酸盐起始浓度在20～120 mg/L时硝酸盐降解满足0级反应,硝酸盐浓度对MFC产电影响不显著;亚硝氮的积累浓度随硝酸盐起始浓度增加而增加,最高可达到35 mg/L;有机物的加入能提高阴极反硝化速度,避免亚硝酸盐积累,对MFC产电影响不大.     

阳极初始电势对微生物燃料电池产电的影响

在微生物燃料电池中,阳极电势会对产电菌的富集和生长产生影响.为进一步明确阳极电势的作用,确定适合微生物生长的最佳阳极电势,在微生物燃料电池的阳极室中设置附加电路以改变阳极的初始电势,考察阳极初始电势对产电微生物的影响.将阳极初始电势设为350 mV时,产电微生物的生长明显变慢.而阳极初始电势为-200 mV和200 mV时,微生物的生长速度基本相同.稳定运行后,阳极初始电势分别为350、200和-200 mV的微生物燃料电池,阳极内阻分别为71、43和80 Ω.通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析微生物燃料电池稳定产电前后阳极微生物群落结构,虽然3个微生物燃料电池的阳极初始电势不同,但稳定后微生物群落结构相似,Clostridium sticklandii、Pseudomonas mendocina、Paenibacillus taejonensis在阳极的富集量最多,MFC对这3种细菌的强化富集作用最明显.     

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%.     

双筒型微生物燃料电池产电及污水净化特性的研究

构建了双筒型微生物燃料电池并考察了产电和污水净化特性,在此基础上考察不同阳极填料对微生物燃料电池产电的影响.通过稳态放电法和电流中断法测量得到微生物燃料电池的内阻,以颗粒石墨作为阳极填料的双筒型微生物燃料电池内阻为38.9 Ω,阳极内阻、欧姆内阻和阴极内阻分别为5.1、 14.1和18.7 Ω,最大产电功率密度为6 253　mW/m³,双筒型微生物燃料电池的构型能有效提高单位体积质子膜面积.双筒型微生物燃料电池对COD的去除负荷为1.6 kg/(m³·d),库仑效率约为10%～12%.阳极填料为大颗粒石墨、小颗粒石墨、碳毡和穿孔型碳毡的双筒型微生物燃料电池的内阻分别为47、 39、 28和33 Ω,稳定运行周期分别为20、 18、 11和18 d.从兼顾产电和稳定运行角度出发,穿孔型碳毡和小颗粒石墨更适合用作MFC阳极填料.     

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。     

碳纳米管阳极微生物燃料电池产电特性的研究

考察了以碳纳米管(carbon nanotube,CN)、活性炭(activated carbon,AC)和柔性石墨(flexible graphite,FG)为阳极材料的3种微生物燃料电池(CN-MFC、AC-MFC和FG-MFC)的产电性能,其最大产电功率密度分别为402、354和274 mW/m2,CN-MFC产电功率密度和库仑效率均高于AC-MFC和FG-MFC.CN-MFC、AC-MFC和FG-MFC的内阻分别为263、301和381 Q,以碳纳米管为阳极材料町以有效降低MFC的阳极内阻.稳定运行后3种MFC阳极蛋白质含量分别为149、132和92 ug/cm2,阳极上蛋白质含量与阳极内阻呈负相关.碳纳米管和活性炭粉作为阳极的MFC表面累计孔体积均高于柔性石墨阳极.3种阳极材料中柔性石墨的导电性最好,其次为碳纳米管.活性炭最低,与阳极内阻高低次序一致.测量CN.MFC、AC.MFC和FG-MFC内阻所需的稳定时间分别为1 800、1 200和300 S.     

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60 s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 Ω,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241 mW/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 Ω,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.