加入多孔球形颗粒微生物燃料电池的性能研究

设计了一个典型的双室微生物燃料电池,并考察了在阳极室加入多孔球形颗粒条件下对人工合成污水产电性能的影响。实验发现,加入多孔球形颗粒后,最高电压从不加颗粒的253 mV提高到280 mV,持续产电时间从5.5 d提高到8 d,COD去除率从78%提高到82.6%。进一步的实验发现,加入多孔球形颗粒后,系统内阻从286Ω降低到199.4Ω,最大功率密度从78.6 mW/m2提高到114.3 mW/m2。结果表明,微生物易于在多孔球形颗粒上附着和生长,颗粒通过均匀搅拌与阳极表面产生持续碰撞,有利于胞外电子传递到阳极,这一过程大大减小阳极的内阻,增大电池的输出电压进而增大输出功率,从而显著提高电池的产电性能。     

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。     

稳恒磁场作用下微生物燃料电池的产电特性和电化学阻抗谱分析

对混合菌接种的双室微生物燃料电池加载磁场强度为175 mT的稳恒磁场,利用电化学交流阻抗等电化学分析方法,考察了在磁场作用下微生物燃料电池（MFC）产电性能的变化,分析了磁场对MFC各部分内阻的影响。加载磁场使已启动完成的MFC的产电明显增强,开路电压提高了10%。加载磁场后最大功率密度为2.08 W/m2,大于加载前的1.58 W/m2,表观内阻由170Ω降至80Ω。电化学阻抗谱分析确定了阳极、阴极和全电池的等效电路模型,拟合结果发现阳极极化内阻约为5Ω。加载磁场使MFC的阴极极化内阻由74.98Ω降至56.73Ω。     

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。     

炼油废水微生物燃料电池启动及影响因素

以炼油废水为碳源,构建双室填料型微生物燃料电池,考察接种液、外接电阻等电池启动条件,以及电导率、pH值和缓冲溶液强度等溶液性质对电池产电性能的影响。利用微生物燃料处理炼油废水,COD去除率(52±4)%,含油量去除率(81.8±3)%;利用废水中存在的原生菌即可启动电池,但启动期长,外加接种液可快速启动电池;启动时外接电阻的大小对电池稳定运行后的输出功率有明显影响,对电池内阻影响相对较小,当启动外接电阻为2 000Ω,电池输出功率最大,为288 mW/m3;随阳极溶液电导率电池增大,电池内阻降低,输出功率升高;pH值变化对电池阳极电势影响较大,进而影响电池输出,当溶液pH为9时,电池输出电压最大(388 mV),pH过高或过低均不利于电池产电;随着缓冲强度的增大,电池输出电压增大,且PBS缓冲强度的增大可从电导率增大和改善质子传递条件两方面提高电池的输出功率。     

MnO_2-r-GO阳极对微生物燃料电池产电性能的影响

考察了MnO_2-r-GO阳极对微生物燃料电池(MFC)的产电性能和体系有机质去除率的影响。实验结果表明,MnO_2-r-GO极的电荷转移内阻(Rct)由145.9Ω降低到14.8Ω。运行稳定后,MnO_2-r-GO阳极体系与空白碳布阳极体系相比,输出电压由200 m V增大到550 m V;最大功率密度(Pmax)由192.2 m W·m-2增大到761.4 m W·m-2,表观内阻由424.6Ω降低到141.4Ω;体系的COD去除率由83.6%增大到89.6%,库伦效率(CE)由19.8%增大到39.5%。     

微波污泥上清液为燃料的微生物燃料电池内阻分布

实验采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池（MFC）,考察了微波污泥上清液为燃料的MFC（MSMFC）的内阻组成。研究表明,当未投加氯化钠时,MSMFC内阻为486．13Ω。当投加100mmol／L的氯化钠时,内阻迅速下降为207．18Ω。而投加量进一步增加时,内阻变化不明显。当阳极面积从4cm2增加到8cm2时,MSMFC内阻从387．34Ω迅速下降到293．96n。而当阳极面积增加到24cm。时,MSMFC内阻变化不明显。但当阳极面积增加到60cm2时,MSMFC内阻下降了38．4％。当阴极面积从24．87cm2增加到49．74cm2时,MSMFC内阻减少了40．4％（从545．72Ω减少到220．56Q）。MSMFC中阳极内阻占主要部分,其次为阴极内阻,电解液电阻最小。随着阴阳极面积比的增加,阴阳极电阻比例减少,说明控制阴阳极面积比可以调整系统内阻的分配。     

填充竹炭对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池(MFC)的阳极对提高MFC产电性能有至关重要的影响。利用竹炭比表面积大、吸附能力强等特性,将其作为"三合一"膜电极MFC的阳极填充材料,通过增大阳极比表面积来提高其产电能力。实验结果表明,加入竹炭至阳极室后,MFC最高输出电压(外接电阻1 000Ω时)由0.280V增大到0.387V,提高了38.2%,并且输出电压更加稳定;而最大功率密度也由原来的0.22W/m3增大到1.42W/m3,同时内阻降低了80.85%(由235Ω降为45Ω);库仑效率由15.0%增大到25.6%。说明MFC阳极室填充竹炭可以显著促进MFC的产电性能。     

厌氧折流板式微生物燃料电池堆影响因素研究

微生物燃料电池(MFC)中输出电压/电流的提升,以及反应器体积的扩展放大是其工程化应用的关键。本文构建了一个总体积为6.4 L的新型厌氧折流板式微生物燃料电池堆(ABSMFC)。以葡萄糖作为底物,探讨了阳极材料、液面高程差和水力停留时间(HRT)等因素对ABSMFC性能的影响。结果表明,碳纤维毡作为阳极时,电池单体外电路平均分压(R_(ex)=1 000Ω)为210 mV,填充石墨颗粒后增加到319.8 mV。格室间存在液面高程差时,电池单体、串联和并联的功率密度分别为207.1、181.1和215.7 mW/m~2,当无液面高程差(即水力相连)时为205.8、69.5和151.5 mW/m~2。4个电池单体串联和并联连接时,HRT对ABSMFC的产电稳定性无影响,溶解性COD的去除率和库仑效率均随HRT的增加而升高,且并联效果优于串联。     

四室微生物燃料电池同步脱氮除碳及产电性能

微生物燃料电池近年来被证实可以用来同步脱氮,然而微生物燃料电池中阴阳极室通常以不同成分的污水作为底物。为了实现废水脱氮,往往需要进行出水调配或停曝等复杂的操作。为解决上述问题,本研究构建了阴极硝化耦合阳极反硝化的四室微生物燃料电池(four chamber microbial fuel cell,FC-MFC),阳极室与阴极室之间用阳离子交换膜(cation exchange membrane,CEM)与阴离子交换膜(anion exchange membrane,AEM)进行交替分隔。在浓度差作用下离子进行定向迁移,最终实现阳极室有机物和氨氮的同步去除。探讨了阳极COD(即进水碳氮比)对FC-MFC产电及污染物去除效果的影响,并分析FC-MFC的氮去除途径。结果表明：随着阳极室COD的增加,各MFC模块的产电周期、峰值输出电压和最大功率密度随之增加,同时阳极室COD和TN的去除率也呈上升趋势,该系统对高碳氮比污水具有良好的抵抗负荷。当进水COD和NH₄⁺-N质量浓度分别为1 100 mg·L^-1和100 mg·L     

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200Ω增大到1 000Ω时,TN去除率由43.81%提高到60.71%,当R_(A-A)由200Ω增大到1 000Ω时,TN去除率由38.88%提高到61.52%;当总外阻固定在1 000Ω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500Ω/500Ω变化为100Ω/900Ω,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。     

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40.1Ω,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.     

温度、pH对微生物燃料电池产电的影响研究

采用SPSS分析软件,考察了双室微生物燃料电池(MFC)、单室MFC运行过程中,温度、pH与产电性能的相关关系。结果表明,碳纸双室MFC的日均电压与温度、阳极pH均未呈现显著相关关系,而与阴极pH呈极显著相关关系,产电的决定性因素为阴极反应;石墨毡/碳纸双室MFC日均电压与温度未呈现显著相关关系,而与阳极pH、阴极pH均呈极显著相关关系,产电的决定性因素为pH;单室MFC的产电性能受温度的影响较大,而pH对其影响不显著,对于单室MFC的运行调控应主要从温度入手。     

高盐废水MFCs不同阴极电子受体产电及微生物群落分析

为探查不同电子受体产电性能及对阳极微生物群落的影响,研究了3种电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾),构建了双室榨菜废水微生物燃料电池系统(microbial fuel cells,MFCs),实现了污水处理和能量回收的双重目的,探讨了不同电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾)对榨菜废水MFCs产电性能及阳极微生物群落的影响。结果表明:在产电性能方面,当过硫酸钾作为阴极电子受体时,电池输出电压、库仑效率、功率密度均优于另外2种常用阴极电子受体(铁氰化钾和氧气);在500Ω的外接电阻间歇运行的条件下,其输出电压、库仑效率、功率密度分别为802 mV、(33±1.6)%、697 mW·m~(-2)。阳极生物16S rRNA基因测序分析表明,水解发酵菌为榨菜废水微生物燃料电池阳极核心菌群,铁氰化钾、氧气和过硫酸钾MFCs阳极微生物菌群相对丰度分别为64.3%、63.6%和75.51%,包括Lentimicrobium、Synergistaceae、Sphaerochaeta、Anaerolineaceae、Draconibacteriacea菌属。阴极电子受体不同的MFCs的阳极微生物群落核心菌群类似,但是丰度有所不同。势差较大的电子受体(过硫酸钾)微生物群落多样性和丰富度较高,产电和污染物去除效果较好。     

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。     

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。     

双室和单室微生物燃料电池的研究及比较

微生物燃料电池(MFC)可分为双室和单室燃料电池.简述了双室和单室MFC的工作机制,综述了双室MFC中阳极(材料)、阴极(材料)、分割材料和单室MFC中"二合一"、"三合一"型以及无膜型电池的特点,比较并分析了双室和单室MFC在构型上的优缺点,以及两者在内阻、功率密度和库仑效率等方面产生差异的原因,展望了MFC的发展前景.     

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 m L),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427Ω;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)Na Cl)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。     

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。     

厌氧流化床微生物燃料电池及其串并联性能

在高650 mm、有效容积1 280 mL的液固厌氧流化床单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)中,研究了燃料电池串并联产电和有机污水处理性能,同时考察了电极面积、活性炭装填体积、温度等因素对产电性能的影响。结果表明,将燃料电池串联,总电压等于3个单级电池的电压之和,约为2 100 mV,最大功率为0.12 mW,而单级电池最大功率为0.05 mW。并联时,输出电压为800 mV,和单级电池输出电压大体相当,而电流为单级电流的2倍。阳极面积增加1倍,产电量增大了30%;电压随活性炭装填体积的增大而增大;温度为40℃时,燃料电池的产电性能最好。