微生物燃料电池及其在废水/废弃物处理中的应用

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC)作为一项解决环境污染同时开发可再生能源的新技术,近年来受到国内外研究者广泛关注。基于MFC工作原理,全面归纳了其典型的高效产电菌,并从阳极氧化、阴极还原两方面重点探讨了其在处理废水/废弃物的应用实例及发展潜力,最后从3个方面对MFC在环境领域的应用前景作了展望。     

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.     

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.     

水生植物在微生物燃料电池中的应用研究进展

微生物燃料电池在降解污染物的同时能将污染物中的化学能转化为电能。研究微生物燃料电池是对污水处理过程中回收环境友好能源的多学科交叉探索,可以为我国有效解决能源与环境问题提供新的技术途径。水生植物在微生物燃料电池研究中已得到了应用,显示出了良好的污水净化效果和生物产电特性。目前利用水生植物构建的微生物燃料电池,一类是将高等植物根区作为电池的阳极系统,目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料问题;另一类是直接将低等水生植物藻类构建生物阴极型微生物燃料电池,其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池而还原CO2。文章对水生植物在微生物燃料中的作用机制、调控措施、运行条件、工艺参数等方面的研究现状进行了综合分析,也提出了需要深入研究的方向。     

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.     

产电菌种对微生物燃料电池性能影响

以玉米秸秆稀酸水解液为阳极底物,用鱼塘底泥源菌种、乳酸菌、盐碱土源菌种为产电微生物构建双室微生物燃料电池(MFCs),研究这3种不同菌源微生物的产电性能及机理。实验条件下测得以鱼塘底泥源菌种、乳酸菌、盐碱土源菌种的MFCs的最大产电量分别为435、400、316 m V;最大功率密度分别为60.5、53.9、43.3 m W/m~2。这3种产电微生物的COD的去除率分别为86.27%、89.32%、82.31%。循环伏安曲线表明鱼塘底泥源菌种具有较高的阳极生物膜活性。3种产电微生物的扩散为半无限扩散特征的Warburg阻抗,由电极外电解质溶液中的氧扩散引起。     

FeS2强化微生物燃料电池阳极反硝化脱氮与产电特性

针对不同碳氮比（C/N）的含氮废水,将FeS₂引入微生物燃料电池（MFC）阳极构建FeS₂强化的微生物燃料电池（Pyr-MFC）体系,以不加FeS₂的空白对照组（C-MFC）为对照,探究其对体系脱氮与产电的影响;采用高通量测序、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜探究该体系中微生物丰度、硫和铁元素变化规律,解析FeS₂强化体系低C/N下的脱氮机理。结果表明：1）Pyr-MFC的反硝化脱氮效率和产电功率密度均高于C-MFC,硝态氮去除率提高近15.7%,最高电压提高量可达0.274 V。2）C/N分别为4、3、2和1时Pyr-MFC对NO₃-N的去除率为100%、97.8%、58.4%和49.7%,均高于C-MFC,表明FeS₂有效降低体系对碳源的依赖。3）微生物群落检测结果表明,FeS₂将产电微生物（Thauera、Thiobacillus和Geobacter）的物种丰度提高9.43%。4）物质转移分析结果表明,S⁻为反硝化过程提供电子,Fe²⁺作为电子穿梭体强化了电子传递,提高了体系的产电性能。

     

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.     

微生物燃料电池的应用研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可用的原料广泛,其广泛应用为可再生能源的开发和难降解废物的处理提供了一条新途径。介绍了MFC的原理,并结合其发展趋势阐述了MFC影响因素,具体包括电池构型、底物种类、电极材料和阳极微生物。此外,综述了近些年的MFC应用进展,具体涵盖污水处理、MFC与其他技术耦合以及MFC生物传感器等领域。最后展望了MFC发展的主要方向,包括对传统交换膜进行改造,或寻求膜替代材料;开发具有低电阻、抗腐蚀、高孔隙率以及高比表面积的新型阳极材料;加强MFC与其他技术耦合以及改善MFC传感器响应时间和灵敏度等措施。可为今后MFC技术的研究和应用提供参考。     

微生物燃料电池的研究综述

微生物燃料电池是一种利用微生物的催化作用,将燃料中的化学能转化为电能,同时又可以处理废水的新型技术,具有显著的环境效益和经济效益。本文对微生物燃料电池的基本原理进行了详细的叙述,对一些影响微生物燃料电池在处理污水时发电的基本因素做了较全面的比较,同时也探讨了一些现阶段微生物燃料电池的瓶颈问题。展望了微生物燃料电池(MFCs)这一绿色技术的良好的发展前景。     

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。     

固定化细胞技术及应用于废水处理的最新进展

本文简要介绍了用于废水处理的固定化细胞技术及应用此技术进行废水处理的七个领域的最新成就。     

微生物燃料电池-人工湿地耦合系统研究进展

微生物燃料电池-人工湿地耦合系统(CW-MFC)是一种新型污水处理工艺,该系统在增强污水处理效果的同时提高了产电性能,具有广阔的应用前景。综述了CW-MFC系统的研究现状,并将影响CW-MFC系统处理效果和产电效率的因素概括为组成要素、结构特点和运行参数3个方面。论文最后总结了系统当前存在的问题,并对未来的研究方向进行展望。     

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。     

微生物燃料电池技术对土壤中铅(Pb2+)的去除研究

为探讨微生物燃料电池对土壤中重金属的去除效能,测定双室MFCs的产电性能。实验以盐桥作为质子通道,构建并利用双室微生物燃料电池（MFCs）对土壤中铅（Pb2+）进行去除,铅（Pb2+）的测定采用火焰原子吸收分光光度法;电极板上铅（Pb）的富集采用扫描电镜观察和能谱方法分析;阳极液中分离的细菌的系统分类学位置通过分离、纯化和16S rDNA测序以及创建系统树来解析。实验表明:MFCs运行10 d后,土壤中铅（Pb）的去除率高达64.40%,最大电压值为69.63 mV;从阳极液中分离出的细菌的系统分类学位置分析表明,2株细菌分别与Stenotrophomonas maltophilia strain LH15（KM893074）和Pseudomonas sp.putida strain（MF996382）同源性最高,且均为100%,两菌株分别为嗜麦芽窄食单胞菌和为恶臭假单胞菌,并分别命名为SKD-GYT-1（LC479453）和SKD-GYT-2（LC479454）,对其产电能力的分析仍有待探索。研究表明,土壤微生物燃料电池的产电能力较高,对于土壤中铅的去除效果明显。     

铁硫氮共掺杂多孔碳阴极催化剂强化微生物燃料电池性能的研究

以杨梅为生物质、Fe2(SO4)3为掺杂源,通过水合-热解-碳化的方法制备了FeSN-C复合催化材料,对其进行表征并应用于催化微生物燃料电池的阴极氧还原反应.结果 表明:FeSN-C阴极在产能性能上表现优越,产生的峰值输出电压和功率密度为550 mV和854 mW/m2,分别为商业铂碳的98.6％和83.2％.同时Fe...     

用于燃料电池的甲醇水蒸气重整反应制氢的研究

研究了甲醇水蒸气重整制氢反应过程中各种因素对Cu／ZnO／Al2O3催化剂的活性和选择性的影响。结果表明：Cu／Zn比为2．0的催化剂在250℃反应时，催化剂效果较好，最合适反应条件是：压力0．1MPa，温度250℃，n(H2O)：n(CH3OH)=1．0-1．2，液体流速0．1mL／min。在Cu／ZnO／Al2O3)，催化剂上，甲醇水蒸气重整、甲醇分解和水气转换反应随反应条件的不同而发生相互抑制或促进作用。