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.     

短臂型空气阴极微生物燃料电池产电特性研究

用夹子将质子交换膜和载铂量为0.2 mg/cm2碳纸固定在阳极室的短臂端口构成短臂型空气阴极微生物燃料电池.利用污泥电池从厌氧消化污泥中富集产电菌于石墨棒表面,循环伏安法检测发现这些微生物具有电化学活性.将富集好的石墨棒作为阳极用于短臂型空气阴极微生物燃料电池,以醋酸钠为底物时该电池的最大功率密度为738 mW/m2,内阻为280Ω,开路电压为741 mV.连续向阳极室通氮气和去掉质子交换膜可分别将电池的最大功率密度提高到745 mW/m2和759 mW/m2,当两者同时作用时最大功率密度可达到922 mW/m2,而这3种条件下电池的内阻仍保持在280Ω左右.当底物浓度在12.62~100.96 mg/L、外电阻为510Ω时,电池的最大输出电压和底物浓度之间存在明显的线性关系(R2=0.99).当底物浓度高于100.96 mg/L时,电池的最大输出电压不再增大并保持在302 mV(外电阻为510Ω).然而,电池的库仑效率则随着底物浓度的提高而提高,从31.83%逐渐增大到45.03%.     

阳极材料对6 L微生物燃料电池性能及有机废水处理效果的影响

阳极材料是影响微生物燃料电池实用化的关键因素之一.本文以碳刷、碳布或石墨毡阳极和泡沫镍空气阴极制成紧凑式6 L单室双空气阴极微生物燃料电池(MFC),研究不同阳极材料对电池启动过程和运行以乙酸钠为基质的人工废水和实际屠宰废水的产电性能和废水处理效果的影响,比较了单位阳极成本的产电效益.结果表明:阳极材料对紧凑式MFC的启动过程没有明显影响;在产电性能方面,碳刷阳极MFC在人工废水和屠宰废水中的输出功率密度最高,分别为(56.3±1.8)W·m~(-3)和(19.5±0.8)W·m~(-3),其次为碳布阳极MFC,分别为(46.0±1.7)W·m~(-3)和(16.9±0.6)W·m~(-3),最差的是石墨毡阳极MFC,分别为(40.8±1.5)W·m~(-3)和(11.9±0.5)W·m~(-3);在废水处理效果方面,不同阳极MFC在运行人工废水或屠宰废水时COD去除率没有明显差别,均在90%左右.碳刷阳极MFC所产生的经济效益最高,在运行乙酸钠和屠宰废水时分别为(3.44±0.08)m W·元-1和(0.97±0.05)m W·元-1,分别比碳布MFC和石墨毡MFC高18.6%、12.8%和38.7%、80%.本研究结果说明碳刷是微生物燃料电池实用化过程中最合适的阳极材料.     

2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）目前仍面临着产能低和成本高的问题,因此系统比较同样条件下不同结构MFC的产电性能对于最终提高其产电效率具有重要意义.通过构建2种不同结构的MFC反应器：单室型MFC和双室型MFC,以乙酸为燃料,固定外电阻为1 000 Ω,对其产电性能进行了比较研究.结果表明,单室型MFC和双室型MFC均可稳定地输出电能,平均最大输出电压分别为600 mV和650 mV,平均运行周期分别为110 h和90 h;单室型MFC和双室型MFC的最大面积功率密度分别为113.8 mW/m²和382.4 mW/m²,最大体积功率密度分别为1.3 mW/m³和2.2 mW/m³;根据稳态放电法确定双室型MFC的内阻为188 Ω,单室型MFC的内阻为348 Ω,双室型MFC的产电性能及运行稳定性均优于单室型MFC.阳极的面积和质子通道的大小都会对MFC的库仑效率产生影响.     

g-C3N4/Cu2O/CF电极制备及在微生物燃料电池中的应用

为了提高微生物燃料电池的产电性能,采用电沉积法将石墨态氮化碳(g-C_3N_4)与氧化亚铜(Cu_2O)负载到碳毡(Carbon felt,CF)表面,制得g-C_3N_4/Cu_2O/CF光电极用于构建微生物燃料电池.通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、光生电流曲线(I-T)、线性扫描伏安曲线(LSV)对光电阴极进行光电性能测试,并在白光发光二极管(LED)辐照下研究了以Cu_2O/CF、g-C_3N_4/Cu_2O/CF为阴极光催化微生物燃料电池的产电性能.结果表明,g-C_3N_4/Cu_2O/CF电极中g-C_3N_4分布在Cu_2O之间;g-C_3N_4/Cu_2O/CF光电极能提高光利用率,与Cu_2O/CF光电极相比,光电流密度达到2700 mA·m~(-2),增长幅度达到125%;与Cu_2O/CF阴极微生物燃料电池相比,g-C_3N_4/Cu_2O/CF阴极微生物燃料电池具有更优的产电能力,在白光LED辐照下最大功率密度和光电流密度达到110.7 mW·m~(-2)和1102 mA·m~(-2),增长幅度达到16%和27%.     

环境因素对接种Shewanella baltica的微生物燃料电池产电能力的影响

通过筛选获得1株Shewanella baltica,分别改变阳极基质种类、浓度、pH和温度,考察不同条件下接种该菌后MFC产电特性.乳酸钠作为基质时接种该菌的MFC产电功率密度最大,MFC产电功率密度和基质浓度满足Monod模型.阳极溶液pH和温度对接种该菌的MFC产电功率密度影响最大.阳极溶液pH为8时接种该菌的MFC产电功率密度最大可达1236mW/m2,最大功率密度上升主要是阳极内阻和阳极电势影响所致.接种该菌的MFC最大产电功率密度在50℃达到1197mW/m2,最大功率密度随温度变化的主要原因是温度对阳极内阻的影响,20～50℃时MFC电流密度与温度满足Arrhenius方程.     

电化学产电菌的分离及性能评价

利用兼性滚管法分离了折流板空气阴极微生物燃料电池(BAFMFC)A、B两格室的阳极生物膜,共获得19株纯菌.将菌株投加至无菌立方型反应器中,检验其产电特性.利用交流阻抗法测量各纯菌电池的内阻,结果显示38个电池的欧姆内阻为25Ω±5Ω,说明了各电池的产电差异来源于菌株本身的活性.其他运行条件均保持不变,在1000Ω外阻下,7株纯菌电池的输出电压在200mV以上.其中,A格室产电活性最高的菌株(A2)产生的最大电压为328mV,输出的最大功率密度为165.1mW/m2,B格室产电活性最高的菌株(B1)最大电压为241mV,最大功率密度为214.4mW/m2.原子力显微镜和脂肪酸快速鉴定表明,A2为肠杆菌科的杆菌,B1为厚壁菌门的芽孢杆菌.     

剩余污泥生物燃料电池输出功率密度的影响因素

对于以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池(MFC),考察了可能影响输出功率密度的相关因素.结果表明,污泥体积对燃料电池以面积为单位的输出功率密度影响效果不明显.电池阳极面积越大,输出功率密度反而越小.采用NaCl为离子添加剂时,随着投加量的增加,输出功率密度相应增加,最大为173.40mW/m2;但采用K2HPO4为离子添加剂时,输出功率密度则先增加后降低,可能是磷浓度的增加影响了系统微生物的活性.泥水比1:2时,最大功率密度为163.35mW/m2,稀释比增加或减少,输出功率密度均相应降低.阴阳极距离从5cm缩小到0.5cm,输出功率密度从50.14mW/m2增加到84.02mW/m2,说明O2的扩散未对阳极厌氧微生物造成影响.采用最优条件时,输出功率密度为256.12mW/m2.     

聚吡咯改性电极强化MFC驱动铀污染土壤的电动修复研究

为探究聚吡咯(PPy)改性电极强化微生物燃料电池(MFC)驱动铀污染土壤的电动修复研究,利用PPy对碳毡电极进行改性,研究不同比例PPy改性电极对MFC的产电性能及其驱动铀污染土壤电动修复效果的影响。结果表明：PPy改性电极增强了MFC的产电性能,CP100最大电压164 mV,最大功率密度18.92 mW/m²,比原始碳毡电极分别提升了29.13%和43.12%;PPy作为MFC阴极增强了土壤中铀的去除效果,其中CP50相较于原始碳毡电极铀的吸附率提升了约13倍;以MFC作为电源能够有效驱动土壤中的铀从阳极向阴极的迁移,其中CP50实验组近阳极区域土壤中铀的最大去除率高达56.42%。综上所述,PPy改性电极对微生物燃料电池的产电能力和铀的去除均具有明显的强化作用。     

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.     

处理垃圾渗滤液的Fe/C空气阴极MFC性能研究

用浸渍法制得硝酸铁/活性炭粉催化剂,通过吸附法将催化剂吸附到碳毡上制作Fe/C催化剂碳毡空气阴极电极.通过改变初始活性炭粉投加量和硝酸铁浓度,考察了两者对以垃圾渗滤液为燃料的MFC产电性能影响;通过循环伏安测试,对不同硝酸铁浓度下自制阴极电极性能进行了评价;在最佳催化条件下考察了装置运行稳定性;并对不同进水COD浓度下同步产电和污水净化性能进行了研究.结果表明,随着活性炭粉投加量或硝酸铁浓度的增加,MFC产电性能均呈现先升高后降低的趋势;当活性炭粉投加量为1 g且硝酸铁浓度为0.25 mol.L-1时,电池性能最佳,功率密度为4 199.8 mW.m-3,表观内阻为465Ω;在硝酸铁和活性炭粉最佳比范围内,MFC的内阻和功率密度分别随着催化剂量的增加而减小和增加;循环伏安测试进一步表明,硝酸铁浓度为0.25 mol.L-1时放电容量最大,且性能稳定;在最佳催化条件下,随着进水COD浓度的增加,MFC产电性能增加,功率密度达5 478.92 mW.m-3,同时COD去除量也增加,最大为1 505.2 mg.L-1,垃圾渗滤液的COD去除率最大达89.1%.     

微波预处理污泥上清液为燃料的微生物燃料电池产电特性研究

采用经微波预处理的剩余污泥上清液作为接种体,成功地启动了空气阴极单室无膜微生物燃料电池(MFC),同时考察了不同微波时间和功率下MFC最大输出功率密度以及外接电阻对MFC的影响.结果表明,MFC整个产电周期长达600h,在同一微波功率(900W)下,MFC最大输出功率密度随辐射时间的延长而增大,在300s时达到210.07mW·m-2;当微波时间(300s)相同时,随着微波功率的增大,MFC最大输出功率在720W处出现一个峰值随后下降.长时间和较高功率(900W)的微波处理能够有效地提高MFC的工作效率;在最佳微波处理条件(300s,720W)下,最大输出功率密度最高可达306.2mW·m-2;不同外接电阻(30、500、2000Ω)下,库仑效率依次为83.3%、79.0%、33.6%;通过扫描电镜观察到,当外接电阻较高(2000Ω)时,阳极表面附着的微生物以球菌为主,外接电阻较低(30Ω)时,形态较为复杂,主要是丝状菌、球菌和杆菌,表明外接电阻会对MFC库仑效率和阳极表面微生物的富集产生影响.     

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。     

不同处理方式污泥为燃料的微生物燃料电池特性研究

采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(MFC),对比分析了不同处理方式的污泥(直接污泥、微波预处理污泥和酶强化水解污泥)为燃料时MFC产电特性、污泥减量化效果和能源效率.研究表明,酶强化污泥为燃料的MFC(ESMFC)产电周期最长(41d),功率密度最大(775.21mW/m2),但库仑效率(CE)仅10.58%.采用微波污泥为燃料的MFC(MSMFC)CE最高(84.6%),而产电周期(30d)和功率密度(343.41mW/m2)居中.采用直接污泥为燃料的MFC(SMFC)产电周期(15d)、功率密度(294.53mW/m2)和CE(5.8%)均最小.采用直接污泥为燃料的MFC中TCOD去除率为26.2%,VSS去除率为32.5%.采用污泥预处理手段有利于促进污泥减量化,MSMFC和ESMFC中TCOD去除率分别增加到58.5%和63.2%,VSS去除率分别增加到73.9%和77.1%.     

缓冲液对微生物燃料电池产电性能影响研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)应用于废水处理是一项非常有潜力的除污产能的绿色技术.但MFC运行过程中采用磷酸盐缓冲液不符合除污产能要求,增加水体富营养化趋势且增加水处理成本.试验采用单极室微生物燃料电池处理模拟生活污水,以投加PBS(phosphate buffer solution)...     

剩余污泥为底物的微生物燃料电池处理含铜废水

以剩余污泥作为阳极底物,CuSO4溶液为阴极溶液构建了双室有膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),研究了MFC的启动,污泥的降解,Cu2+的去除和阴极还原产物的性质.结果表明,Cu2+可作MFC的阴极电子受体,在外电路电阻为1 000 Ω,Cu2+浓度为6 400 mg/L的条件下获得的稳...     

Oxidation behavior of ammonium in a 3-dimensional biofilm-electrode reactor

Excess nitrogenous compounds are detrimental to natural water systems and to human health. To completely realize autohy- drogenotrophic nitrogen removal, a novel 3-dimensional biofilm-electrode reactor was designed. Titanium was electroplated with ruthenium and used as the anode. Activated carbon fiber felt was used as the cathode. The reactor was separated into two chambers by a permeable membrane. The cathode chamber was filled with granular graphite and glass beads. The cathode and cathode chamber were inhabited with domesticated biofilm. In the absence of organic substances, a nitrogen removal efficiency of up to 91% was achieved at DO levels of 3.42 ± 0.37 mg/L when the applied current density was only 0.02 mA/cm^2. The oxidation of ammonium in biofilmelectrode reactors was also investigated. It was found that ammonium could be oxidized not only on the anode but also on particle electrodes in the cathode chamber of the biofilm-electrode reactor. Oxidation rates of ammonium and nitrogen removal efficiency were found to be affected by the electric current loading on the biofilm-electrode reactor. The kinetic model of ammonium at different electric currents was analyzed by a first-order reaction kinetics equation. The regression analysis implied that when the current density was less than 0.02 mA/cm^2, ammonium removal was positively correlated to the current density. However, when the current density was more than 0.02 mA/cm^2, the electric current became a limiting factor for the oxidation rate of ammonium and nitrogen removal efficiency.