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。     

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.     

氧化石墨烯与聚苯胺修饰阴极的微生物燃料电池电化学性能

利用聚苯胺（PANI）与氧化石墨烯（GO）来修饰微生物燃料电池（MFC）阴极电极,可以加强氧阴极还原速率并且降低阴极电势损失.本文利用扫描电镜（SEM）、元素分析（XRD）、红外光谱（FTIR）、CV曲线与EIS曲线分析等手段,考察PANI与GO联合修饰MFC阴极的方法及其电化学性能改善效果.结果表明在聚合修饰液中,当苯胺浓度为0.1M时,GO的最佳浓度为0.10~0.12g/L,此时修饰电极的氧还原峰电位最高,CV测试电活性面积最大,EIS的测试表明此时阴极传荷内阻达到最小.研究显示通过使用GO与PANI来共同修饰微生物燃料电池阴极可以使阴极的高电化学活性更高,可提高MFC的最大电压和最大电容.研究结果对优化,MFC的应用与运行具有借鉴意义.     

双筒型微生物燃料电池生物阴极反硝化研究

利用双筒型微生物燃料电池生物阴极实现电反硝化脱氮,考察外电阻大小、进水硝酸盐和有机物浓度对产电和反硝化的影响.当外电阻从50Ω下降到5Ω,硝酸盐去除速率由0.26 mg/(L.h)上升到0.76 mg/(L.h);在外电阻为5Ω时,亚硝氮积累浓度达55 mg/L;硝酸盐起始浓度在20～120 mg/L时硝酸盐降解满足0级反应,硝酸盐浓度对MFC产电影响不显著;亚硝氮的积累浓度随硝酸盐起始浓度增加而增加,最高可达到35 mg/L;有机物的加入能提高阴极反硝化速度,避免亚硝酸盐积累,对MFC产电影响不大.     

微生物燃料电池中生物阴极的研究与应用现状

在简要介绍了微生物燃料电池的发展背景、原理和发展趋势的基础上,重点概述了微生物燃料电池阴极的发展现状,特别是生物阴极的研究与应用现状,最后对其目前存在的主要问题进行了分析,并对其今后的发展提出了展望。     

活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能

对双室好氧生物阴极微生物燃料电池的阴极电极材料进行了优化.使用碳纤维刷阴极启动,进入稳定期后向反应器阴极室投加活性炭颗粒(T2)和活性炭粉末(T3),以提升微生物燃料电池的产电性能.实验结果表明,向阴极投加活性炭可以迅速提高微生物燃料电池的输出电压.投加活性炭颗粒后,T2的开路电压和最大功率密度分别提高了42%和237%;投加活性炭粉末后,T3的开路电压和最大功率密度分别提高了12%和42%.优化后的微生物燃料电池对COD的去除率分别是91.5%、90.3%,库仑效率分别提高了54.4%和17.9%.投加活性炭颗粒效果更好,可以显著提高微生物燃料电池产电性能,同时提高微生物燃料电池的COD去除率和库仑效率.     

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.     

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究进展及展望

人工湿地（CW）与微生物燃料电池（MFC）的耦合系统是一种新型的生物电化学系统。该系统可以在生物产电的同时进行废水处理。结合近年来对人工湿地-微生物燃料电池耦合系统（CW-MFC）的系统产电和污染物降解性能的研究,综述了CW-MFC系统的最新研究进展,主要从系统结构（湿地植物、微生物、电极材料、基质材料）和影响系统运行因素（水力停留时间、溶解氧、有机负荷及废水成分、氧化还原电位）2个方面概述。最后总结了CW-MFC面临的挑战及今后的发展方向,并展望了该系统的研究潜力。     

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%.     

喹啉为MFC阳极燃料的微生物群落结构演化分析

通过构建填料型微生物燃料电池(MFC),首次对以喹啉为燃料时的MFC阳极表面的微生物群落进行了分析.PCR-DGGE的试验结果表明,随着燃料的改变,微生物群落也发生改变.当以喹啉和葡萄糖的混合溶液稳定地作为燃料时,由于受到喹啉毒性的抑制,微生物多样性降低,优势菌也发生明显的改变.与葡萄糖共基质相比,以单一喹啉为燃料时的阳极微生物优势菌落发生明显改变.新增加一类菌,这类菌与Pseudomonas sp. DIC5RS 的同源性为100%,推测该菌在单一喹啉为MFC燃料时喹啉的降解过程中起到关键作用.     

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.     

Performance evaluation of microbial fuel cell for landfill leachate treatment: Research updates and synergistic effects of hybrid systems

Over half of century, sanitary landfill was and is still the most economical treatment strategy for solid waste disposal, but the environmental risks associated with the leachate have brought attention of scientists for its proper treatment to avoid surface and ground water deterioration. Most of the treatment technologies are energy-negative and cost intensive processes, which are unable to meet current environmental regulations. There are continuous demands of alternatives concomitant with pos...     

Application of interface material and effects of oxygen gradient on the performance of single-chamber sediment microbial fuel cells (SSMFCs)

Single-chamber sediment microbial fuel cells(SSMFCs) have received considerable attention nowadays because of their unique dual-functionality of power generation and enhancement of wastewater treatment performance. Thus, scaling up or upgrading SSMFCs for enhanced and efficient performance is a highly crucial task. Therefore, in order to achieve this goal, an innovative physical technique of using interface layers with four different pore sizes embedded in the middle of SSMFCs was utilized in this study.Experimental results showed that the performance of SSMFCs employing an interface layer was improved regardless of the pore size of the interface material, compared to those without such layers. The use of an interface layer resulted in a positive and significant effect on the performance of SSMFCs because of the effective prevention of oxygen diffusion from the cathode to the anode. Nevertheless, when a smaller pore size interface was utilized, better power performance and COD degradation were observed. A maximum power density of 0.032 mW/m~2 and COD degradation of 47.3% were obtained in the case of an interface pore size of 0.28 μm. The findings in this study are of significance to promote the future practical application of SSMFCs in wastewater treatment plants.     

Effect of air-exposed biocathode on the performance of a Thauera-dominated membraneless single-chamber microbial fuel cell (SCMFC)

To investigate the effect of air-exposed biocathode(AEB) on the performance of singlechamber microbial fuel cell(SCMFC), wastewater quality, bioelectrochemical characteristics and the electrode biofilms were researched. It was demonstrated that exposing the biocathode to air was beneficial to nitrogen removal and current generation. In Test 1 of 95%AEB, removal rates of ammonia, total nitrogen(TN) and chemical oxygen demand(COD)reached 99.34% ± 0.11%, 99.34% ± 0.10% and 90.79% ± 0.12%, respectively. The nitrogen removal loading rates were 36.38 g N/m~3/day. Meanwhile, current density and power density obtained at 0.7 A/m3 and 104 m W/m~3 respectively. Further experiments on opencircuit(Test 2) and carbon source(Test 3) indicated that this high performance could be attributed to simultaneous biological nitrification/denitrification and aerobic denitrification, as well as bioelectrochemical denitrification. Results of community analysis demonstrated that both microbial community structures on the surface of the cathode and in the liquid of the chamber were different. The percentage of Thauera, identified as denitrifying bacteria, maintained at a high level of over 50% in water, but decreased gradually in the AEB. Moreover, the genus Nitrosomonas, Alishewanella, Arcobacter and Rheinheimera were significantly enriched in the AEB, which might contribute to both enhancement of nitrogen removal and electricity generation.     

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.     

盐度对MFC产电及其微生物群落的影响

本文研究了模拟废水中不同盐度对微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)性能的影响.当向MFC中依次添加0,20,40,60,70g/L NaCl时,MFC的最大输出电压从660mV下降到130mV,库仑效率也从67%下降到4%.如果向MFC中直接添加40g/L和70g/L NaCl并运行两个周期后,MFC无电能输出,然而,停止添加NaCl(盐度解除)后MFC产电性能能够在60h内恢复.此外,当盐度高于40g/L NaCl时,阳极微生物群落发生明显的变化.研究结果可为MFC或其他生物反应器处理盐度废水提供一定的依据.     

微生物隔膜在生物阴极MFC中的应用及效能评价

本文构建了2.0L具有微生物隔膜的模块化生物阴极微生物燃料电池(MFC),以实际生活污水为底物,在连续流运行模式中,系统考察了微生物隔膜(MS)在MFC长期运行过程中的功能特征.结果表明:发育成熟的微生物隔膜可以稳定维持MFC阴阳极室间的溶解氧(DO)浓度梯度,使阳极室平均DO浓度低于0.5mg/L,同时使完全混合的阴...