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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同阳极微生物燃料电池产电性能的比较

微生物燃料电池在处理废水的同时可以产生电能,有希望同时解决废水再利用和能量再产生的问题。采用单室无膜空气阴极微生物燃料电池,处理模拟生活污水,探讨MFC处理模拟废水的效果。研究了以碳布(MFC1)、碳布负载碳纳米管(MFC2)、碳纳米管(MFC3)和泡沫镍(MFC4)作为4种不同的阳极材料,对MFC系统的启动、内阻和产电特性进行比较。结果表明,4种不同阳极MFC在水力停留时间24 h的条件下,对COD有很好的去除作用,其中MFC2的COD去除效率最大,为91.4%。在不影响MFC系统处理废水效果的前提下,实验得到4种阳极MFC系统中MFC2具有最小的内阻,为173.7Ω;并且其功率密度也大于其他3种MFC,达到401.2 mW/m2。     

木质素磺酸盐在微生物燃料电池中的降解及产电性能研究

以厌氧活性污泥为接种体构建铁氰化钾阴极微生物燃料电池(MFC),对木质素磺酸盐的降解及产电效果进行了研究。结果表明,经过6个周期逐渐添加木质素磺酸盐的驯化后,以木质素磺酸盐为单一底物的MFC成功运行,最大功率密度为120.3 mW/m2。经过94 h的运行,阳极液COD和木质素磺酸盐去除率分别达到39.8％和49.3％...     

剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及有机物降解与阳极生物分析

构建了以二沉池剩余污泥厌氧发酵上清液为阳极底物的微生物燃料电池(MFC),考察了电池的产电性能、污染物去除效率及阳极微生物种群特征。结果表明,厌氧发酵污泥MFC作为污泥资源化的一种新途径,具有可行性。在厌氧发酵的预处理条件下,MFC体系稳定运行期间输出电压最高可达0.65 V,最大功率密度达86.89 m W·m~(-2),库伦效率为(5.12±0.5)%;与此同时TCOD去除率为(50.6±3.5)%。污泥在厌氧发酵阶段产生大量挥发性脂肪酸(VFAs),它们作为产电微生物易于摄取的阳极底物,能够促进污泥中有机质的去除,进而提高污泥MFC的产电效果。由阳极微生物群落结构可推断:产电和非产电细菌具有协同作用,共同维持MFC的稳定运行。     

电子受体对微生物燃料电池产电性能的影响

以厌氧污泥为接种菌源,醋酸钠为阳极基质,分别构建了铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的双室微生物燃料电池(MFC),并研究了MFC在不同电子受体下的产电性能。结果表明,以铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的MFC最大稳定输出电压均随着电子受体浓度的升高而增大。当铁氰化钾质量浓度大于2.0g/L时,MFC最大稳定输出电压增幅不大。两种MFC的内阻均随电子受体浓度的增大而降低。阴、阳极溶液体积相等,外阻为5 000Ω时,以10.0g/L过硫酸铵为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为1 029.0mV和385mW/m3;以10.0g/L铁氰化钾作为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为711.8mV和73mW/m3,均小于以过硫酸铵为电子受体的最大开路电压和最大输出功率密度。因此,过硫酸铵是一种理想的电子受体,能够提高MFC产电性能。     

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。     

微生物燃料电池处理含铜废水的研究

构建了以乙酸钠为阳极基质、Cu~(2+)为阴极电子受体的双室微生物燃料电池(MFC),考察了该MFC处理含铜废水的效果及Cu~(2+)浓度对MFC产电性能的影响。通过改变阴极液中CuSO_4的质量浓度(20~130mg/L),测试了MFC运行过程中的输出电压、输出功率密度、内阻、Cu去除率等指标。结果表明:Cu~(2+)可作为MFC的阴极电子受体;在外电路电阻为1 000Ω的条件下,Cu~(2+)质量浓度为130mg/L的MFC性能最佳,其稳定输出电压为0.33V、最大输出功率密度为114.42mW/m~2,内阻为231.62Ω,最高Cu去除率为84.59%;通过X射线衍射测试发现,阴极还原产物为Cu_2O。     

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。     

微生物燃料电池在高盐榨菜废水处理中的产电性能

基于双室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）,以高盐榨菜废水为燃料,考察了电池的运行状况,同时探讨了盐度变化对电池产电性能影响,并通过投加甜菜碱研究其对MFCs系统抵抗盐度负荷冲击能力的影响。结果表明：MFCs稳定运行时（阳极室容积80 mL）,最大功率密度、开路电压和电池内阻分别为3.55 W·m-3、0.698 V和427 Ω;底物中添加2 mmol·L-1甜菜碱后电池产电性能得到明显提升;当废水含盐量（增加到5 g·L-1 NaCl）为31.2 g·L-1时电池产电性能达到最佳,但是继续增高盐度后电池产电性能会急剧下降;投加甜菜碱有助于提高系统抵抗盐度负荷变化造成的冲击,维持电池的产电输出。     

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。     

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。     

垃圾渗滤液-沉积污泥微生物燃料电池的产电性能

采用单室沉积型微生物燃料电池(SMFC)处理垃圾渗滤液与沉积污泥,考察电池的产电性能及污染物去除效果。SMFC输出电压呈周期性变化趋势,最大输出电压251 m V,最大功率密度为10.35 mW·m~(-2),功率密度随电流的增加先增大后减小,燃料电池内阻为2 653Ω。COD、氨氮去除率分别达96.18%和80.60%。SMFC的平均输出电压随污染物的降解呈波浪型上升趋势。MLSS、MLVSS去除率分别为24.40%和30.32%。实验结束后,MLVSS/MLSS的比值由0.70降至0.65,在SMFC产电过程中,污泥中的有机物得到有效降解。因此,SMFC可实现污水净化、污泥减量及产电一体化的效果。     

不同运行条件对微生物燃料电池产电性能的影响

以双室微生物燃料电池为研究对象,改变活性污泥MLSS值、营养物质的量、营养物质种类、温度等运行条件,测量24 h内COD值、细菌数目和电压值,进而研究不同运行条件对微生物燃料电池运行初期产电性能的影响。结果表明:在其他同等条件下,只改变MLSS值时,MLSS值越大,产电性能愈佳,只改变葡萄糖浓度时,当葡萄糖浓度为60 mg/mL时,产电性能最佳,最大电压和功率密度可达224.8 mV和505 mW/m3,只改变营养物质种类时,当加入低糖和C源营养物质时,产电性能较佳,只改变运行温度,当温度为37 ℃时,产电性能最佳,最大电压和功率密度可达231.5 mV和535 mW/m3;改变上述条件时,细菌数目与MFC的产电性能呈显著正相关关系。