碳纤维毡表面改性对微生物燃料电池性能的影响

研究以碳纤维毡为阳极,采用不同的表面改性方式对微生物燃料电池（MFC）产电效率的影响,并通过塔菲尔曲线（Tafel）和慢速扫描循环伏安法（SSCV）研究了碳纤维毡表面经不同改性处理后作为阳极的电化学行为。结果表明．碳纤维毡经丙酮浸泡（CZ—C）和热处理（CZ-H）后,最大输出功率从763mW／m2上升到896mW／m2,提高了17％;电化学测试证实碳纤维毡热处理后阳极交换电流密度提高,且氧化峰电位正移、峰电流增大。     

纳米铁对微生物燃料电池启动的影响

设置3组不同阳极底物的微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）：无添加污泥（对照组）、含化学合成零价纳米铁的污泥（c-nZVI组）和含绿色合成零价纳米铁的污泥（g-nZVI组）,拟探究不同来源零价纳米铁（nZVI）对MFC启动的影响。3组MFC经由5个周期启动,实验结果表明,在c-nZVI组和g-nZVI组的启功阶段,高浓度的绿色合成零价纳米铁和化学合成零价纳米铁均对MFC的输出电压产生抑制作用,当MFC成功启动后,零价纳米铁对MFC的输出电压影响不明显。此外,COD去除率、SEM和电化学表征数据表明,绿色合成零价纳米铁相比于化学合成零价纳米铁在电极表面富集程度、对电极表面性质改变以及产电菌活性的抑制作用更弱。     

双室污泥微生物燃料电池产电的影响因素

为了提高污泥产电的效率,研究了以城市污水处理厂剩余污泥为基质的双室微生物燃料电池产电的4个影响因素：电极面积、电极间距、污泥浓度和污泥起始pH。研究结果表明,小电极面积电池的输出电压比大电极面积电池低,而电池的输出功率则正好相反;电极间距较小时（4.5 cm）,电池的输出电压比电极间距较大（7.75 cm和13 cm）时高;实验的3个污泥浓度中,13.0 g/L为最佳污泥浓度,污泥浓度的升高或降低均会降低利用污泥产电的输出电压和单位污泥的产电功率,不利于污泥产电;当阳极室污泥的起始pH处于碱性时,电池的输出电压更高,污泥产电更好,其中pH为10.0时最好。极化曲线分析表明,这4个因素均会影响以污泥为基质的双室微生物燃料电池的性能。     

共基质型微生物燃料电池降解偶氮染料与产电

通过构建一个双室微生物燃料电池,以葡萄糖-偶氮染料（甲基橙）混合物为基质,探讨甲基橙初始浓度以及pH对甲基橙在阳极室中同步脱色和产电性能的影响。结果表明,当葡萄糖浓度为1 000 mg·L-1,甲基橙初始浓度为300 mg·L-1,pH=7.00时,甲基橙脱色率在6 h已经超过了90.00%,且在1 000 Ω外阻下最大输出电压能达到0.587 V。而厌氧对照下,脱色率仅为32.06%,MFC能显著提高脱色效果。从甲基橙降解前后紫外可见光谱扫描图上看出,甲基橙的脱色主要依赖于降解脱色而不是微生物的吸附,且脱色过程有中间产物生成。     

以尿液为阳极基质的微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池 (MFC) 是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的环境友好型技术,已成为污水资源化领域的研究重点。尿液以高有机浓度、高电导率、营养物质丰富且产量庞大等特点成为MFC的优选基质。梳理了近十年以尿液为阳极基质的MFC研究工作,详细阐述了尿液作为MFC阳极基质的优势和工作机理,以及该研究领域的发展历程;总结了以尿液为阳极基质的MFC中产电微生物、电极及膜材料、反应器构型等因素对产电性能的影响;在现有研究的基础上就产电性能、能源与资源回收效益的提升以及工程化应用方面现存挑战与发展方向给出建议,以期为更好地解决基于尿液为阳极基质的MFC在实际应用中的难题提供参考。     

微生物燃料电池修复石油污染盐碱土壤

生物电化学技术修复石油污染土壤并同步产出电能是一种新兴的污染土壤生态修复技术。对石油污染土壤通过其微生物燃料电池的构造,利用电化学阻抗谱分析了土壤的欧姆内阻,拟合估算了土壤的电导率,并考察了土壤微生物燃料电池的产电性能和修复效果。结果表明：采用丙酮清洗过的阳极并有水封的情况下,土壤微生物燃料电池的欧姆内阻下降了52%,电导率升高了1倍;在启动后的120 h内,最大电压和累计产出电量分别达189 mV和36 C,与对照相比分别增加了20和29倍。输出电压随着阴极与阳极之间距离的增大而减小。经过30 d的生物电化学处理,土壤中的总石油烃去除率是开路对照的3.3倍。该研究是石油污染盐碱土壤生物电化学修复的初步探索,以为污染土壤的生态修复提供新的思路。     

铁氰化钾对双室微生物燃料电池曝气阴极性能的改善

为研究铁氰化钾对双室微生物燃料电池(MFC)阴极性能的改善效果,以碳毡和碳棒作为复合电极材料,乙酸钠为阳极电子供体,分别以氧气、铁氰化钾和氧气交替作为阴极电子受体.通过测定使用铁氰化钾作阴极电极液之前和之后的曝气阴极MFC的功率密度及极化曲线,比较曝气阴极MFC的内阻、开路电压(OCV)和最大输出功率的变化情况.实验结果表明,当以铁氰化钾作为MFC阴极电子受体时,MFC的内阻、开路电压和最大输出功率分别为24.2 Ω、744.2 mV和33.7 W/m3.曝气阴极MFC在采用铁氰化钾作电极液对阴极性能进行改善之前和改善之后的内阻由77.2 Ω降低到40.1 Ω,OCV和最大输出功率分别由517.9 mV和2.1 W/m3提高到558.2 mV和4.4 W/m3.研究表明,铁氰化钾本身不仅具有优良的接受电子的能力,而且对电极材料(碳毡和碳棒)的电化学性能具有明显的改善作用,使得使用铁氰化钾之后的曝气阴极MFC的产电性能有了明显且持久性的提高.     

湿地植物-沉积物微生物燃料电池产电及河流底泥修复

以受污染的城市河涌底泥为底质,湿地植物选用风车草（Clinopodium Urticifolium）或短叶茳芏（Cyperus Malaccensis）,构建了湿地植物-沉积物微生物燃料电池（P-SMFC）及无植物的沉积物微生物燃料电池（SMFC）共3个电极处理组,研究了P-SMFC与SMFC的产电特性,并探讨了它们与对照组中底泥及上覆水中氮磷的迁移转化规律。结果表明,产电方面,在系统启动运行的7个月内,PSM1、SM和PSM2三个电极处理组均能维持较稳定的产电,输出电压在整个运行阶段总体稳定在0.30~0.50 V,且植物的引入提升了系统的产电性能。底泥修复方面,设置的5个处理组对底泥中有机质均有一定的降解作用,表现出PSM1、SM和PSM2处理组有机质的降解要显著高于PS1和PS2处理组,P-SMFC系统对底泥有机物的去除有显著的促进作用;系统中系统运行前2个月,2个P-SMFC处理组氨氮含量显著低于其他3个处理组,之后随着运行时间的延长,各处理组之间的变化差异性不大,5个处理组底泥中氨氮去除率均达到80%以上;电极的引入对底泥中硝氮的去除没有产生显著影响;各处理组底泥中总磷去除率不同,分别为PSM1处理组8.67%、SM处理组8.89%、PSM2处理组7.33%、PS1处理组12.45%、PS2处理组8.89%,产电过程抑制了磷的迁移,有助于底泥中磷的稳定。     

不同pH下微生物燃料电池降解含硫偶氮染料废水的效能及其机理

构建单室空气阴极微生物燃料电池反应器(MFC)并用于处理含硫偶氮染料有机废水,研究初始pH对单室MFC的产电性能和对偶氮染料及硫化物的去除效果以及阳极生物膜电化学行为的影响。利用紫外可见光谱全波长扫描(UV-vis), 高效液相(HPLC)和液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析偶氮染料还原反应过程的中间产物。结果表明,以乙酸盐为底物,单室MFC的阳极液在中性条件下有利于系统性能的提高。pH由5.0增加到9.0过程中,单室MFC的产电性能先增加后减小,中性条件下产电性能和目标物降解率最佳,其次为偏酸和偏碱条件,过酸或过碱最差。当pH=7.0时,电池的最大功率密度为24.5 mW·m⁻²,内阻最小为154.1 Ω;微生物的活性最高,硫化物和偶氮染料的降解率最大,硫化物去除率为98.40%,染料的脱色率达到84.60%,COD的降解率为49.56%。另外,通过CV扫描可知,pH对阳极产电菌的氧化还原能力有显著影响,中性条件下阳极产电菌的氧化能力最强。联苯胺和3,4-二氨基萘-1-磺酸被证实为刚果红降解反应典型的中间产物,而硫化物氧化的主要产物是硫单质,硫代硫酸盐和硫酸盐。以上研究结果可为处理实际的含硫偶氮染料废水提供一定的参考。     

核桃壳生物炭电极在微生物燃料电池中的产电性能及其对污染物的去除性能

微生物燃料电池(MFC)的电极材料是决定MFC性能的关键。本研究利用核桃壳生物炭制成MFC电极材料,对核桃壳生物炭基电极的制备条件、MFC的产电性能进行了探讨,利用比表面积分析、扫描电镜、拉曼光谱及电极电化学等方法对生物炭电极进行表征。结果表明: 最佳电极制备条件为活化时生物炭:氯化锌质量比5:3,真空煅烧温度600 ℃,生物炭:聚苯胺:热熔胶质量比5:1:4,在进水COD平均值为685 mg·L⁻¹、氨氮平均值为38 mg·L⁻¹、外电阻为1 000 Ω条件下,MFC的稳定输出电压为0.136 V,最大功率密度达到51 mW·m⁻³,内阻为762 Ω,运行7 d后,COD和氨氮的去除率分别可达到85%和88%,以上研究结果为制备有前景的MFC的电极材料提供了参考。     

阴极液及底物浓度对AFB-MFC同步废水处理及产电性能影响

为了提高厌氧流化床微生物燃料电池（AFB-MFC）的性能,并为双室MFC寻找价廉、易得、无污染的阴极液,在曝气量16～24 L/h、温度（35±2）℃、回流量10.2 L/h、阴极底边距阴极室内底部17.3 cm、外电阻250 Ω、水力停留时间（HRT）14.0～14.9 h以及进水pH 7.81～8.37下,研究了阴极液及底物浓度对系统产电及废水处理性能的影响。结果表明,使用缓冲溶液、阳极室出水和自来水作阴极液时,自来水的产电性能最佳,阴极液种类不影响系统有机基质的去除。以自来水为阴极液时,阴极液pH及电导率随运行时间增加而增加,COD去除率为80.11%～89.29%,输出电压及功率密度开始随运行时间增加而增加,之后稳定在440～452 mV和48.40～51.08 mW/m²之间。增加底物浓度对COD去除率影响不大,而输出电压及功率密度随底物浓度增加而下降;底物COD浓度由3 307.09 mg/L增至9 520 mg/L时,COD去除率在85.77%～94.44%之间,输出电压及功率密度则分别由449 mV和50.40 mW/m²下降至406 mV和41.21 mW/m²。自来水作阴极液可避免二次污染及阴极液对阳极室微生物的影响,并得到高的产电能力。     

双室微生物燃料电池处理硝酸盐废水

基于双室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),针对阴极分别接种活性污泥(A-MFC)和反硝化细菌(D-MFC),研究其产电情况和硝酸盐废水去除效果。结果表明,在产电的同时都可有效去除废水中的硝酸盐污染物。在外接电阻100Ω的情况下,2种MFC均具有良好的产电性能,A-MFC和D-MFC达到的最大输出电压分别为119.6 mV和117.2mV,最大功率密度分别为23.40 mW/m2和26.63 mW/m2;同时两者在阴极室的平均反硝化速率分别为1.86 mg/(L.d)和2.19 mg/(L.d),阳极室的平均COD去除率分别为81.9%和82.4%。另外,通过扫描电镜观察可知,A-MFC和D-MFC阴极碳布表面形貌存在差异,并且阳极与阴极碳布表面形貌差异显著。     

类燃料电池技术处理难降解有机废水

提出了一种新型的难降解有机废水处理技术,即在常温常压下采用类燃料电池装置降解废水的同时获取电能。以甲酸为模拟废水,考察了H2O2浓度、流量、电解质浓度及渗透压对产电性能的影响。研究发现,HCOOH浓度为0.5 mol/L,H2O2质量分数为10%,流量为13.5 mL/min,两极分别加入0.1 mol/L Na2SO4,4 h库仑效率可达到13.93%。结果表明,采用燃料电池技术降解废水的同时可以获取电能,其在废水处理领域将有广阔的应用前景。     

MFC-电催化膜反应器中PPy-PVDF/碳纤维膜的污水处理性能

为解决膜分离技术在水处理中存在膜污染和高能耗的问题,通过电氧化聚合法将聚吡咯(polypyrrole,PPy)沉积在PVDF/碳纤维膜上,制备高活性的PPy-PVDF/碳纤维膜;研究不同沉积时间对电催化膜催化活性的影响及微电场环境对PPy-PVDF/碳纤维膜污染的影响;并构建MFC-电催化膜反应器,测试反应器在处理污水时的产能效果。结果表明,恒电位(0.8 V)聚合10 min时,PPy₁₀-PVDF/碳纤维膜的催化活性最高,PPy的最佳沉积密度为0.75 mg·cm⁻²。抗污染通量测试结果表明,在0.4 V·cm⁻¹的微电场下,PPy₁₀-PVDF/碳纤维膜的稳定通量(317 L·(m²·h)⁻¹)比无电场时(212 L·(m²·h)⁻¹)提高了约49.5%,说明MFC-电催化膜反应器中的微电场可以有效减缓膜污染。在MFC-电催化膜处理污水的过程中,反应器对COD去除率高达96%以上;反应器产能最大功率密度为166 mW·m⁻³,与空白PVDF/碳纤维膜(产能密度为99 mW·m⁻³)相比提高了约67%。PPy₁₀-PVDF/碳纤维膜在MFC-电催化膜反应器表现出较高的污染物去除率、能源回收效率及对膜污染的有效控制。     

以养殖废水为底料的微生物燃料电池产电性能与水质净化效果

以养殖场沼泥为接种物,构建了乙二胺、三氯化铁改性碳毡阳极的单室无膜微生物燃料电池,探讨了2种阳极改性电池的产电规律,考察了其去除养殖废水中COD、氨氮的效果以及臭味的表观性状变化。结果表明,以葡萄糖为底物时,乙二胺、三氯化铁改性阳极微生物燃料电池在启动20 d和22 d后分别达到稳定,输出电压分别为0.514 V和0.527V(外阻为500Ω),对应输出功率密度分别为332 mW/m2和349 mW/m2。逐渐增大废水投加比例至原水时,2个电池的最大功率密度分别为208 mW/m2和158 mW/m2,COD去除率分别为85%和78%,氨氮去除率分别为52%和45%。此外,养殖废水的臭味去除效果明显。因此,构建的2种改性阳极微生物燃料电池可以利用养殖废水产电,同时使水质得到一定程度的净化。     

基于催化膜耦合颗粒活性炭阴极的微生物燃料电池体系处理焦化废水

含难降解污染物的工业废水,处理难度大、成本高,如未达标却大量排放,会造成严重的水体污染并威胁生态平衡和人类健康。为了开发高效、节能和可持续的环保技术,制备了新型催化电极膜组件,并内置活性炭颗粒或负载二氧化锰的活性炭颗粒,以扩大阴极的总体积,研究了其在11 L上流式微生物燃料电池与膜生物反应器耦合系统中对焦化废水的处理效果,考察了其对系统的产电性能和废水处理效果。结果表明,在产电和水处理成效上,催化电极膜内放置负载二氧化锰的活性炭颗粒阴极的耦合体系>催化电极膜内置活性炭颗粒阴极的体系>碳纤维布电极内置活性炭颗粒阴极的体系。碳纤维负载催化剂电极膜及内置活性炭颗粒阴极的系统,最大功率密度为1 041.35 mW·m−3,比仅用碳纤维布的电极膜内置活性炭颗粒阴极的对照组,提高了7.4倍,系统内阻也由309 Ω减小至104 Ω,有效降低了能量损耗。催化电极膜内置负载二氧化锰活性炭颗粒阴极的耦合系统,可高效去除焦化废水中的COD和${ {rm{NH}}_4^ + }$-N,去除率最高可达95.75%和92.81%;COD去除负荷为1.55 kg·(m3·d)−1,比对照组提高了25%。增大阴极曝气速率,可提高COD去除效率(另一焦化废水,出水COD值低于40 mg·L−1,达到一级排放标准);COD去除负荷达到1.67 kg·(m3·d)−1。该耦合体系对焦化废水具有较好的处理效果和较高的产电能力,可为焦化废水等工业废水的处理提供一种有效可行的新方法。     

钼钨双金属碳化物改性碳布阳极对微生物燃料电池产电性能的影响

产电微生物与阳极之间缓慢的胞外电子传递过程（EET）是限制微生物燃料电池（MFCs）输出功率的重要因素。为了提高EET效率,该研究采用牺牲模板、原位聚合和高温碳化相结合的方法,合成了由碳化钼、碳化钨纳米晶共掺杂的碳纳米管（MoW-CNTs）复合阳极催化剂。结果表明,MoW CNTs呈现二维纳米片接枝的中空纳米管结构,有利于微生物附着以及胞外电子捕获。同时,碳化钼和碳化钨的共掺杂有利于界面电催化活性的提升。MoW CNTs@CC在MFCs中的最大输出功率密度达到了2.80 W m⁻²,与碳布（CC）和Mo CNTs@CC相比分别提升了近4.51和1.94倍。MoW CNTs@CC还表现出最大的催化氧化峰值电流（1.25 mA cm⁻²）和最低的电荷转移电阻（84.15 Ω）,表明其具有优异的电催化活性和胞外电子传递效率。此外,MoW CNTs具有促进细菌定殖和富集电活性细菌的双重功能。与CC和Mo CNTs@CC相比,电活性菌Sulfurovum在MoW CNTs@CC表面的相对丰度显著有所提升,达到67.6%。MoW CNTs具有的高交联纳米片结构、超细双金属碳化物赋予了改性电极更大的比表面积、更高的电导率以及优异的生物电催化活性,从而显著提升了MFCs的产电性能。该研究为构建高性能MFCs阳极提供了一种新的选择。     

微生物燃料电池处理污染废水的研究进展

微生物燃料电池(MFC)在处理污染废水的同时还能产生电能,成为环境和能源领域的研究热点之一。结合典型MFC结构,分别介绍了阳极室、阴极室和中间室所具有的不同功能,比较分析了各个室去除污染物的基本原理和当前的研究进展,讨论了MFC应用于实际工程中存在的问题,展望并提出了未来MFC的发展目标及发展方向。     

不同厌氧发酵系统在造纸废水处理中的应用

在“碳达峰和碳中和”目标下寻求高效处理造纸废水的方法尤为迫切。以某造纸厂的废水为研究对象,利用不同的厌氧发酵系统对其进行微生物降解,分别对厌氧发酵过程中的生物甲烷组分、液体组分、液体DOM、微生物群落结构进行了测定和分析,优化了处理系统。结果表明：不同厌氧发酵系统对废水中各组分降解去除能力依次为MEC-AD>MFC-AD>AD+磁铁矿>AD;MEC-AD处理造纸废水具有高效性,可促使生物甲烷高峰期相对AD提前8 d,SCOD、TP和NH₄⁺-N去除率分别达到了77.79%、86.73%和75.98%,废水DOM中酪氨酸类蛋白质、色氨酸类蛋白质和溶解性微生物的含量显著降低,生物甲烷高峰期菌群的优势菌属为Proteobacteria、Bacteroidetes。