铁碳布空气阴极微生物燃料电池的产电性能

使用铁代替铂作为阴极催化剂,制作含铁碳布空气阴极并构建单室MFC(Fe-C-ACMFC)。以乙酸钠为燃料,通过稳态放电法和循环伏安测试等测试手段,分析了不同铁含量对Fe-C-ACMFC产电性能的影响以及性能最优Fe-C-ACM-FC的连续运行稳定性。结果表明,随着铁含量的增加,Fe-C-ACMFC启动期开路电压(OCV)逐步提高,达到峰值后,随着铁含量的增加而降低;同样,Fe-C-ACMFC极化性能和功率密度等产电性能也随铁含量的增加先升高再降低;当铁含量为0.7 mg/cm2时,MFC的产电性能最优,最大开路电压为593 mV,表观内阻为89Ω,最大功率密度达到12 907 mW/m3,并且经循环伏安测试,电池放电容量几乎没有变化,表明Fe-C-ACMFC的性能比较稳定,能够长期运行。由于铁催化剂价格远远低于铂催化剂,因此,铁碳布空气阴极MFC更利于推广应用。     

AC-GO空气阴极对微生物燃料电池产电性能的影响

考察了氧化石墨烯（GO）修饰活性炭（AC）空气阴极（AC-GO阴极）对微生物燃料电池（MFC）产电性能以及有机物去除率的影响。实验结果表明,向AC阴极中掺杂一定量的GO可以降低阴极的内阻,提高阴极电化学反应速率。其中,GO掺杂量为0.5 mg·cm-2的AC-GO0.05阴极性能最好,该AC-GO0.05阴极MFC体系的最大功率密度（Pmax）为767 mW·m-2,是空白AC阴极体系Pmax（459 mW·m-2）的1.7倍,化学需氧量（COD）去除率和库伦效率（CE）均明显高于空白AC阴极体系。     

微生物燃料电池藻阴极性能比较及膜污染分析

为考察藻种类及阴极材料对藻阴极型微生物燃料电池性能的影响,以微藻及水绵为阴极生物,分别采用碳毡,碳纸,载铂碳纸为阴极材料,构建了微生物燃料电池。结果显示,以碳毡作为阴极材料时,2种藻阴极微生物燃料电池最大功率密度均高于以碳纸为阴极材料时相应的功率密度。采用载铂碳纸为阴极材料、天然湖水为阴极液,微生物燃料电池最大功率密度分别达到165.1 mW/m2(微藻阴极)和119.9 mW/m2(水绵阴极)。电化学测试表明,藻类生长形态影响了阴极的电化学特征,进而影响到了微生物燃料电池的性能。藻阴极MFC长期运行时,膜污染是藻阴极微生物燃料电池功率密度下降的关键因素之一。SEM-EDS分析显示,膜两侧污染主要原因分别是微生物生长和磷酸盐晶体沉积。     

在微生物燃料电池生物阴极实现硝化过程的试验研究

微生物燃料电池(MFCs)去除废水中有机物已经进行了大量研究,然而MFCs去除营养盐的能力较弱是将来产业化的障碍之一。研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素,并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极MFCs的启动时间为150～200h,运行稳定时,最高电压达600 mV。研究表明,该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应,其NO3--N的生成速率为0.792mg/(L.h),NO2--N最高质量浓度为1.56mg/L;阴极进水中NH4+-N以及DO浓度均是重要影响因素;对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明,铁锰氧化细菌为7.5×106 MPN/mL,硝化细菌为9.3×105 MPN/mL。     

微生物燃料电池化学阴极与生物阴极处理含铬废水

采用双室微生物燃料电池(MFC)反应器,考察了不同初始Cr(VI)浓度下化学阴极与生物阴极MFC的产电及Cr(VI)去除情况。结果表明,在各Cr(VI)浓度梯度 (20、28、32、36、40和44 mg/L)下生物阴极MFC的产电及Cr(VI)去除性能均较化学阴极MFC更优,生物阴极最大输出电压为180.1 mV,是化学阴极的1.3倍。随着初始Cr(VI)浓度的递增,两者对Cr(VI)去除的差异越明显,最终在Cr(VI)浓度为44 mg/L时,生物阴极MFC的Cr(VI)去除率为66.4%,较化学阴极提高了55.1%。进一步由循环伏安扫描、电镜扫描及X-射线能谱分析证实生物阴极MFC较化学阴极MFC产电及去铬性能优越的主要原因除了生物阴极电极上电化学活性微生物的催化作用外,Cr(VI)还原产生的不导电Cr(III)沉积物在其电极上附着较少也是一个关键因素,该Cr(III)沉积物中含有Cr2O3。     

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.     

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。     

阴极负载不同催化剂对天然水体中沉积物微生物燃料电池运行特性的影响

考察了阴极负载Co₃O₄和MnOOH对天然水体中沉积物微生物燃料电池（SMFC）产电性能和SMFC对沉积物中有机质去除率的影响。实验结果表明,SMFC阴极负载Co₃O₄和MnOOH后,体系的输出电压由483 mV增大到549 mV和534 mV;相应体系的内阻由206 Ω显著降低到99 Ω和128 Ω,最大功率密度（Pmax）由3.3 mW/m²增大到9.1 mW/m²和6.6 mW/m²。此外,SMFC体系的电流密度与沉积物中烧失量（LOI）、易氧化有机质（ROOM）去除率呈线性关系,并且阴极负载Co₃O₄和MnOOH可以促进阳极沉积物中有机质的去除。     

回流式无膜生物阴极微生物燃料电池脱氮

为有效提高脱氮效率、降低MFC运行成本,设计了一种新构型回流式无PEM膜的生物阴极微生物燃料电池,处理生活污水,回收电能。研究了该系统的启动情况及稳定运行时的污水脱氮效果和产电性能。结果表明,系统稳定运行后,输出电压0.53 V,反应器内阻406.8Ω,最大功率密度201.9 mW/m3。连续进水、停留时间12 h、回流比为1及阴极连续曝气条件下,COD去除率85%以上,氨氮去除率93.94%,总氮去除率44.96%,总氮去除较作参比的A2/O系统提高8.17%。     

不同阴极对微生物燃料电池产电性能的影响比较

阴极催化性能及材料对微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)的产电特性及制造成本有很大影响。本研究选用金属铂(Pt)、活性炭作为催化剂、聚四氟乙烯(PTFE)和道康宁1-2577作为阴极的扩散层、碳布和不锈钢网作为阴极的基体材料制备得4种阴极,分别考察了相应MFC的产电性能和阴极特性。结果表明,采用传统Pt催化剂+PTFE扩散层+碳布制备成的阴极(Pt-PTC),MFC的最大输出电压为560 mV,最大功率密度为808 mW/m2,而采用活性炭+道康宁1-2577+不锈钢网制备成的阴极(AC-DCS),MFC的最大输出电压为510 mV,最大功率密度为726 mW/m2,两者的MFC产电性能极为接近。SEM结果表明,活性炭催化层表面和道康宁1-2577扩散层分别比Pt催化层及PTFE扩散层的更均匀光滑。阴极线性伏安测定结果表明,AC-DCS与Pt-PTC的电化学氧化性能较为接近。AC-DCS阴极成本仅为Pt-PTC的1/300左右,是一种低成本扩大化生产MFC阴极的新方法。     

生物阴极式碳纸隔膜微生物燃料电池的反硝化和产电性能

为了探讨生物阴极式廉价隔膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的基本性能,首先以生物反硝化作用为基础构建了生物阴极MFC,并进一步以涂布聚四氟乙烯(PTFE)的廉价碳纸代替昂贵的质子交换膜(PEM)构建碳纸隔膜生物阴极式MFC。研究结果显示,对于生物阴极式MFC,阴极室中最适宜反硝化细菌生长的NO-3-N浓度为99.2 mg/L,此时输出电压最高可达0.11 V,1 h内NO-3-N的去除率达到80.0%,COD去除率为62.8%;以涂PTFE的碳纸代替PEM的生物阴极式MFC与有PEM的MFC最高输出电压基本一致(均达到0.22 V,外阻500Ω),但碳纸隔膜MFC的产电更稳定。结果验证了廉价隔膜生物阴极式MFC的可行性,并为其应用于污水脱氮奠定基础。     

外电阻对双阴极微生物燃料电池脱氮产电性能的影响

为提高双阴极MFC的脱氮产电性能,构建了双阴极微生物燃料电池系统,考察了连续进水状态下阳极与缺氧阴极间外阻(R_A-A)以及阳极与好氧阴极间外阻(R_A-O)的变化对系统脱氮产电性能的影响。结果表明：只增大一侧电阻会降低厌氧阳极的库仑效率和功率密度,但能提高系统的脱氮效果;当R_A-O由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由43.81%提高到60.71%,当R_A-A由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由38.88%提高到61.52%;当总外阻固定在1 000 Ω时,两侧电阻变化不影响阳极的功率密度和库仑效率,其分别保持在305.53 mW·m⁻³和0.35%左右;电阻组合(R_A-A /R_A-O)由500 Ω/500 Ω变化为100 Ω/900 Ω,TN去除率由62.32%提高到64.41%;系统的硝化效果随R_A-O的增大而增强,反硝化效果随R_A-A的减小而增强,总氮去除效果随总外阻的增大而提升。低R_A-A与高R_A-O的外阻组合能有效提高双阴极三室MFC的脱氮能力。增大总外阻,系统产电性能降低,阳极表面微生物膜氧化性不断减弱,总外阻不变,阳极表面氧化性变化不大。研究探明了外电阻变化对三室双阴极MFC脱氮产电性能的影响,为进一步提高MFC脱氮产电性能提供参考。     

AC/PTFE微生物燃料电池阴极去除罗丹明B及同步产电性能

采用辊压成型法制备了活性炭（AC）/聚四氟乙烯（PTFE）质量比分别为6、5和3的AC/PTFE 电极,并利用SEM对电极表面进行表征。结果表明,随着质量比的降低电极表面活性炭颗粒间的连接更为紧密。以制得的AC/PTFE电极,碳毡分别为微生物燃料电池（MFC）的阴极、阳极,利用AC/PTFE阴极在曝气条件下产生的过氧化氢在阴极处理模拟的罗丹明B废水。研究了不同质量比AC/PTFE阴极对罗丹明B的去除效果及同步产电情况,结果表明以AC/PTFE质量比为6的AC/PTFE阴极在96 h内对罗丹明B的去除率达到96%,MFC获得的最大功率密度为105 mW·m-2;同时研究了在阴极液加入0.2 g·L-1 Fe2+的条件下,阴极液为不同pH值时,阴极对罗丹明B的去除效果及MFC产电情况。结果表明在阴极液pH= 3的情况下,罗丹明B的去除率在36 h内达到了98.9%,MFC的最大功率密度达到210 mW·m-2,罗丹明B的去除速率及MFC能量的输出得到了明显提高。     

碳毡和碳布2种生物阴极材料微生物燃料电池产电性能

为了降低构建微生物燃料电池（MFCs）的成本,比较了以碳毡和碳布作为阴极材料,在阴极利用功能微生物作为催化剂时电池的产电性能。结果表明,两电池启动时间基本相同,20 d左右达到稳定,但稳定期碳布作阴极的电池电压比碳毡作阴极的电池电压高出了60 mV左右。碳毡和碳布作阴极时,电池在10 d和20 d的最大功率密度分别由10.24和11.14 mW/m2提升到了18.18和30.15 mW/m2,相应内阻则分别由1 000和600 Ω降到了250和200Ω。循环伏安法（CV）显示两材料单独做电极时氧化还原情况相似,扫描电镜（SEM）观察到两者不同表面特性导致碳毡对污泥附着强于碳布,进而使氧气传递受到限制,产电降低。     

阴极硝化耦合阳极反硝化实现微生物燃料电池技术脱氮

微生物燃料电池(MFC)是一种将废水中化学能转化为电能的技术,近年来被证实可以用来同步脱氮。目前,NH4+-N的硝化与反硝化多是在MFC阴极室进行,其存在曝气条件下反硝化菌难以富集的问题,造成反硝化速度慢。为解决上述问题,本研究旨在构建一种基于阴离子交换膜的(AEM)MFC,即AEM-MFC,使阴极好氧硝化过程产生的NO2-与NO3-能通过阴离子交换膜迁移至厌氧阳极室,并在厌氧阳极室发生还原,使得反硝化不需在好氧阴极室进行。结果表明,当阴极投加200 mg/L NH4+-N时,AEM-MFC能在66 h完全去除总氮,而同样条件下基于阳离子交换膜(CEM)的MFC,即CEM-MFC,则需要26 d达到相同的脱氮效果。在阴极室投加不同浓度NH4+-N(从50到500 mg/L)条件下,AEM-MFC连续运行7个月,其产电与脱氮效果稳定。相比于传统生物脱氮方法,AEM-MFC不需要在运行过程中在加入酸或碱调节pH,所需COD/N较少,并能够同时回收电能。     

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。     

生物质活性炭纤维笼电极微生物燃料电池产电性能

首次构建了以生物质活性炭纤维笼电极为空气阴极的微生物燃料电池（biomass activated carbon fiber cage-shaped air-cathode microbial fuel cell,BACFC-ACMFC）,并以厌氧污泥接种,以葡萄糖作为碳源,研究了该MFC在连续运行条件下的产电性能、电池内阻情况和最优运行条件。结果表明：在一个运行周期内,该MFC最佳运行条件为：体积浸没比为50%、pH=8、污泥投加量为1.8 g·L-1。当外接电阻为1 000 Ω时,该MFC最大输出电压为257.89 mV,最大输出功率密度为4 082.99 mW·m-3,电池内阻为419.88 Ω,与目前其他阴极材料的微生物燃料电池相比,该新型生物质活性炭纤维笼空气阴极微生物燃料电池功率密度较高,内阻较低。SEM分析可知,阴极具有较大的比表面积和孔隙率,有利于与氧气的充分接触。在浸入溶液中的半面阴极上发现大量微生物附着,这可能和氧气还原有关。     

脱氮副球菌YF1微生物燃料电池生物阴极脱氮和产电

以脱氮副球菌YF1构建纯种生物阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)进行脱氮和产电机理的研究。研究结果发现,阴极碳氮比、pH值对产电和脱氮效率有明显影响。当MFC的阴极运行条件pH值为8.0,碳氮比为20时,运行时间15 h时,脱氮率高达100%,输出电压为150 mV。上述结果表明,微生物燃料电池运行过程中,细菌降解硝酸根的机理为将硝酸根还原为N2或者直接将其作为自身的营养物质而利用。循环伏安(CV)与扫描电镜(SEM)的结果表明,在微生物燃料电池运行中,副球菌YF1通过接触导电作为产电的电子供体。     

生物阴极微生物燃料电池中同步产电反硝化菌的分离鉴定与性能

利用反硝化筛选培养基从稳定运行的MFC-AA/O反应器阴极板上分离纯化反硝化细菌,经16S rRNA鉴定后,接种于双室MFC的阴极,测试其产电能力以筛选同步产电反硝化细菌,之后对MFC的运行温度和pH进行优化,最后通过扫描循环伏安曲线分析其产电机理。结果表明：分离获得的一株反硝化菌经鉴定为铜绿假单胞杆菌(Pseudomonas aeruginosa),该菌可实现同步产电脱氮,最高输出电压可达168 mV左右,其脱氮反应的最优pH为7.5,最适温度为30 ℃;在生物阴极起催化产电反硝化作用的可能是Pseudomonas aeruginosa的分泌物,其作为中介体,可从电极获得电子,完成硝酸盐的还原。上述结果说明,Pseudomonas aeruginosa作为接种MFC生物阴极的纯菌,可以实现同步产电反硝化,为反硝化生物阴极MFC的实际应用奠定基础。     

石墨烯氧化物气凝胶修饰金属阳极促进微生物燃料电池的产电性能

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）阳极的比表面积、生物相容性以及导电性被认为是影响微生物燃料电池产电性能的关键因素。三维金属阳极因其导电性强、比表面积较二维电极材料大等优点可用来取代碳基电极。为了提高微生物燃料电池的产电性能,本研究选用2种具有三维结构的不锈钢刷（SSB）和泡沫镍（Ni-foam）为金属阳极基材,并将石墨烯氧化物（GO）通过一步冷冻干燥法合成石墨烯氧化物气凝胶复合金属电极（GOA-SSB/Ni-foam）,将其作为阳极进行MFC的产电性能研究。结果显示：在MFC运行中,GOA-SSB和GOA-Ni-foam作为阳极,最大功率密度分别达到490和119 mW·m-2,比未修饰SSB和Ni-foam提高8.1和5.5倍。扫描电镜（SEM）表征显示三维复合金属阳极表面附着的微生物量远高于未修饰电极,且未修饰的SSB和Ni-foam电极表面较GOA-SSB和GOA-Ni-foam电极表面腐蚀更严重,说明GOA不仅可提升阳极比表面积、生物相容性还可减缓阳极基材的腐蚀。电化学阻抗（EIS）结果表明GOA-SSB和GOA-Ni-foam阳极相比于未修饰阳极能够极大的降低传荷电阻,证实GOA修饰阳极加快了电子传递速率。另外,拉曼（Raman）表征显示Shewanella oneidensis MR-1菌可原位还原GOA,佐证了GOA修饰阳极运行后欧姆内阻降低的原因。