微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池能够在处理有机污染物的同时回收电能,这种变废为宝的优势使其成为研究的热点。文章回顾了微生物燃料电池的发展历程,着重从反应器构型与材料、运行条件及电子传递机制等方面,系统地阐述了近年来研究的动向与进展,总结了微生物燃料电池可应用的领域,并针对当前研究的不足与面临的问题,提出了今后微生物燃料电池的发展方向与应用前景。     

基于微生物燃料电池技术的多元生物质生物产电研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种使用微生物作为催化剂,直接将生物质能转化为电能的装置,为生物质的利用提供了新的途径.底物类型和底物浓度对于MFC的性能至关重要.使用小分子酸、醇或葡萄糖等简单有机物为底物时,MFC功率输出较高.但当底物为结构复杂的有机物时,为了提高MFC功率输出和底物降解效率,可以采用物理、化学手段对其进行预处理、采用天然菌群进行生物预降解或者添加简单有机物进行底物强化.基于多元生物质MFC技术未来将应用于污水中生物质能回收、偏远地区供电和生物传感器等方面.     

生物阴极型微生物燃料电池研究进展

生物阴极型微生物燃料电池利用阴极微生物作为催化剂,降低微生物燃料电池成本的同时提高运行稳定性,受到广泛关注。文章根据最终电子受体将微生物燃料电池分为好氧生物阴极型和厌氧生物阴极型两类,分别对其产电机理、产电及污水净化效果进行评述,在此基础上分析影响生物阴极型微生物燃料电池产电的各种因素,提出生物阴极型微生物燃料电池的发展方向。     

污泥为燃料的微生物燃料电池运行特性研究

实验采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(MFC),考察了运行特性对污泥为燃料的MFC(SMFC)的影响.研究表明,相对于未搅拌情况,搅拌时SMFC最大输出功率由45.94mW/m2分别增加到124.03mW/m2(1300r/min)和136.5mW/m2(2600 r/min),主要是由于搅拌有利于改善SMFC内物质的传递. 温度对SMFC的产电特性影响较明显,但在一定区间内(如20~25℃;30~40℃;45~50℃)变化不明显,说明产电微生物有一定的温度适应范围,这也可能是在不同温度下产电微生物不同导致.相对于采用未经处理的剩余污泥为燃料,微波处理后的污泥和微波处理过滤后的上清液做燃料时SMFC输出功率迅速增加,这主要是由于污泥中的微生物竞争作用引起.阴极面积的增加有利于降低阴极电势,降低SMFC内阻,从而促进功率密度的增加.     

不同接种条件下微生物燃料电池产电特性分析

比较了11种不同来源的接种物对微生物燃料电池产电性能的影响,并考察了接种污泥的TCOD和pH值等特性对电池产电情况的影响.结果表明,以华南农业大学资源环境学院新肥室沼气池污泥为接种物的燃料电池产电效果最好,产生的最大电压为0.53V(外电阻为500Ω),最大功率密度达到9.12W/m3.污泥的初始TCOD越高,所产生的电能越多;而pH值在5.6~7.8范围内时,对MFC产电能力的影响不大.通过扫描电镜对阳极表面微生物的观察发现,不同接种物电池阳极富集的微生物存在很大差异,这可能是影响微生物燃料电池产电性能的最主要因素之一.     

沉积物性质对沉积物微生物燃料电池产电性能的影响

沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为一种原位修复手段,既能降解沉积物中有机污染物,又可同时输出电能,具有广阔的应用前景.沉积物的来源和特性对于SMFC的产电及污染物降解性能具有重要影响.本研究采用了不同环境的6种沉积物(VS质量分数为3.1%~12.6%)构建SMFC反应器,研究不同沉积物构建的SMFC的产电性能、有机物去除率以及SMFC液相p H值的变化.实验结果显示,在不外加有机碳源的条件下,只有当沉积物的VS含量较高(12.6%)时,SMFC才可实现稳定产电,最大功率密度为39.6 m W·m-2.而当沉积物的VS含量较低(12%)时,SMFC不能实现自发产电.向6种沉积物中投加乙酸钠作为外加碳源,可明显促进产电.在有外加碳源的条件下,具有较高含盐量的沉积物构建的SMFC产电性能较好,其最大功率密度可达到142.3 m W·m-2.试验还发现,以土壤与厌氧污泥为混合底物的SMFC系统的产电功率密度明显低于纯土壤SMFC系统,显示了厌氧污泥对SMFC产电有抑制作用.     

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%.     

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。     

微生物燃料电池处理苯酚废水运行条件研究

以传统厌氧消化(conventional anaerobic digestion,CAD)作对照,研究不同温度、底物浓度、盐桥管径以及有无接种微生物对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理苯酚废水性能的影响.实验结果表明,MFC技术可以在获得电能的同时,强化有机废水的生物处理过程,MFC能够在较低温度(15℃)下运行.当苯酚初始浓度为0.15g·L-1,随着温度(15℃、25℃、35℃)的增加,苯酚的降解效率和MFC的产电性能也随着提高;MFC具有耐有机负荷冲击能力,即使在高负荷苯酚初始浓度3.5g·L-1条件下,去除率达60%;盐桥孔径并不与苯酚去除效率、电压、功率密度成正比关系.MFC在适合的管径条件下可以高效去除苯酚的同时,能有较高的产电效率;MFC的阳极反应需要微生物的催化.     

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.     

双室微生物燃料电池不同接种条件下处理薯蓣素废水

比较了在5种不同接种条件下,利用双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)处理薯蓣素生产废水的污染物去除和产电效果. 结果表明,该种废水可以用作微生物燃料电池的底物,在去除有机物的同时能够获得电能;采用全混合接种对污染物的去除效果最好,在350 h时COD_Cr去除率达到90%;采用污水处理厂厌氧污泥和薯蓣素废水驯化菌液混合接种的产电效果最好,在1 000 Ω的外电阻下得到了370 mV的输出电压,最大输出功率密度达到10.32 mW/m2;不同菌属在MFCs中的作用差别显著,产电与去污功能可能由不同优势菌属承担;初步富集到优势菌菌b,菌d和菌e;PCR-DGGE和DNA序列分析结果显示,菌d和菌e与β-变形菌具有较好的同源性.      

微生物燃料电池阳极室内电子受体竞争研究

采用不锈钢金属丝阳极构建了管状单室无质子交换膜空气阴极微生物燃料电池(MFC),并以葡萄糖为唯一电子供体,研究了该MFC的性能. 分别以含葡萄糖、葡萄糖+硝酸钾、葡萄糖+硫酸钠、葡萄糖+氯化铁的培养液注入MFC,分析和检测MFC外接电阻上的电压与各底物的起止浓度. 结果表明,MFC室内的电子受体氧化还原势越高,对固体电极接受和传输电子的影响越大,固体电极接受电子的能力介于NO₃-和SO₄2－之间,接近Fe3+.      

微生物燃料电池处理废水时的产电性能研究

设计了一个经典的双室微生物燃料电池,并考察了其在接种厌氧污泥条件下对葡萄糖模拟废水的产电性能。试验主要考察了电池系统在不同的电极材料及不同COD浓度下的产电性能及废水处理效率。结果表明,该电池在初始COD为1000mg/L,以石墨为电极的运行条件下产电性能最好,最大电流密度为4.4mA/m2。在不同的COD浓度下,该系统对废水中COD的去处率都稳定在70%。另外实验还考察了好氧污泥代替空气作为电子受体后电池系统的产电性能及废水处理效率。在该条件下,微生物燃料电池的产电性能得到了显著的提高,输出电流密度约为17.3mA/m2,同时其对废水中的COD去除率达到了82%。     

新型单室无质子膜微生物燃料电池性能研究

采用不锈钢金属丝阳极构建了管状单室无质子交换膜空气阴极微生物燃料电池(MFC),并以葡萄糖为唯一电子供体,研究MFC的性能.在室温下,初始ρ(CODCr)为496 mg/L,外接电阻为1 000 Ω时,该MFC可以连续产电,最高电压达235.11 mV,开路电压为461.00 mV,内电阻约2 820 Ω.实验条件下测得该MFC的最大功率密度为137.1 mW/m2,库仑效率为32.4%.采用该MFC进行了啤酒酿造废水处理对比实验,在进水ρ(CODCr)为15 900 mg/L,停留时间为96 h下,MFC对废水CODCr的去除率达40%～55%,比厌氧生物处理效率高5%～10%.表明MFC技术可以在获得电能的同时,强化有机废水的生物处理过程.     

双室微生物燃料电池利用乙酸钠和淀粉产电研究

研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs) 分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果. 结果表明,MFCs中能量的输出与底物的种类有关,使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43和0.39 V,最大功率密度分别为36.03和 6.32 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物. MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物,288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%,NH₃-N的去除率分别为90.31%和86.20%. 扫描电镜发现,2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著,以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌;以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌,表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同.      

剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性研究

利用厌氧污泥作为接种体在不加入任何营养元素的条件下,经过20　d成功地启动了单室无膜微生物燃料电池.启动成功后对剩余污泥作为燃料产电特性以及底物的变化进行了研究.结果表明,微生物燃料电池产生的最大电压为495　mV(外电阻为1 000　Ω),最大功率密度达到44 mW·m^-2,稳定期间内阻约为300　Ω.在1个运行周期中,污泥SS和VSS的去除率分别为27.3%和28.7%,pH值的变化范围为6.5～8.0, COD的起始浓度为617 mg·L^-1,浓度随时间的增加而增大并稳定在1 150 mg·L^-1左右,随后逐渐下降,糖的起始浓度为47 mg·L^-1,逐渐增大到60 mg·L^-1之后浓度逐渐下降.微生物燃料电池可以将剩余污泥中的化学能转化为最清洁的电能,为污泥资源化提供了新的思路.     

复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能

为研究生物阴极在MFC（微生物燃料电池）中的应用,分别以粒径为2~4 mm的颗粒活性炭和粒径为2~4、4~8、8~12 mm的颗粒石墨为阴极基质材料,构建升流复合生物阴极型单室MFC,研究阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性能和净水效能的影响.结果表明:当阳极基质材料为2~4 mm粒径的颗粒活性炭时,燃料电池中利用玻璃纤维取代离子交换膜,阴极基质材料为选用4~8 mm粒径颗粒石墨的反应柱产电量最大,为534 mV（外电阻为1 000 Ω）,最大功率密度达到631.6 mW/m3,库伦效率为3.82%;阴极的pH越低越有利于阴极的产电反应;不同阴极基质材料的MFC对COD_Cr去除率均在80%左右,TN、NH₄+-N及TP的去除率最高可分别达到79%、93%和34%.研究显示,阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性影响较大,但对其净水效能的影响不大.      

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.