铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键因素.通过研究制备成本低廉、氧还原反应(ORR)催化活性高的阴极催化剂来替代Pt/C对于实现MFC规模化应用具有重大意义.研究采用化学气相沉淀法,以三聚氰胺作为碳氮前驱物、以黑珍珠2000或乙炔炭黑作为碳源,外加醋酸亚铁作为铁前驱物,合成了两种铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物(FeNCB和FeNCC),作为MFC的阴极催化剂.通过循环伏安法和旋转圆盘-环电极分析FeNCB、FeNCC和Pt/C的ORR催化活性的差异,并用MFC验证其差异.结果表明,FeNCB性能与Pt/C相当,优于FeNCC,其催化路径是通过4电子途径催化氧还原反应;MFC-FeNCB性能略优于MFC-Pt/C,显著优于MFC-FeNCB有助于MFC的扩大化,其最大功率密度为1 212.8mW·m~(-2),开路电压为0.875 V,电池稳定电压为(0.500±0.025)V.用X射线衍射、X射线光电子光谱、拉曼光谱等进一步分析显示,复合物中碳纳米管管径的大小、铁氮掺杂的类型和含量以及氧含量是引起制备的复合物催化氧还原性能差异的原因所在.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.     

废旧线路板中主要有价金属的生物反应器浸出研究

为探讨可供实际生物浸出应用的反应器规模废旧线路板中有价金属浸出特性和工艺条件,通过设计序批式生物浸出反应器,采用分离到的氧化亚铁硫杆菌Z1作为菌种资源,在考察废旧线路板中有价金属的浸出特性的基础上,确定了反应器运行的最佳工艺条件.结果表明,反应器运行的最佳工艺条件为曝气量1L/min、停留时间30h、搅拌速率300r/min以及粉末投加量12g/L.在此条件下,经过101h可以浸出90.24%的铜.同时,经197h的浸出,可以溶出93.06%的镁、92.00%的锌、85.59%的铝和64.51%的镍.因此,生物浸出反应器能有效回收废旧线路板中的有价金属,为该技术的实际应用提供了实验证据.     

羧基化碳纳米管载铂催化剂对微生物燃料电池阴极氧还原性能的影响

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键要素.为了考察不同羧基化方法改性的碳纳米管(carbon nanotube,CNT)负载Pt的催化氧还原效率,分别在80℃和95℃条件下对CNT进行了羧基化,采用浸渍-沉淀法制备了Pt/CNT催化剂(Pt/CNT-80和Pt/CNT-95),并在空气阴极MFC体系中验证了其催化氧还原效果(MFC-80、MFC-95和MFC-C).结果表明,MFC-95和MFC-80的最大功率密度分别为568.8 mW.m-2和412.8 mW.m-2,内阻分别为204.7Ω和207.7Ω,开路电压分别为0.719 V和0.651 V.而对照MFC-C的最大功率密度仅为5.4 mW.m-2,内阻为826.2Ω.XPS和XRD分析结果显示,Pt/CNT-95催化氧还原效果优于Pt/CNT-80,原因可能是95℃羧基化过程在CNT表面引入了丰富的含氧基团.     

湿地植物-沉积物微生物燃料电池产电及河流底泥修复

以受污染的城市河涌底泥为底质,湿地植物选用风车草（Clinopodium Urticifolium）或短叶茳芏（Cyperus Malaccensis）,构建了湿地植物-沉积物微生物燃料电池（P-SMFC）及无植物的沉积物微生物燃料电池（SMFC）共3个电极处理组,研究了P-SMFC与SMFC的产电特性,并探讨了它们与对照组中底泥及上覆水中氮磷的迁移转化规律。结果表明,产电方面,在系统启动运行的7个月内,PSM1、SM和PSM2三个电极处理组均能维持较稳定的产电,输出电压在整个运行阶段总体稳定在0.30~0.50 V,且植物的引入提升了系统的产电性能。底泥修复方面,设置的5个处理组对底泥中有机质均有一定的降解作用,表现出PSM1、SM和PSM2处理组有机质的降解要显著高于PS1和PS2处理组,P-SMFC系统对底泥有机物的去除有显著的促进作用;系统中系统运行前2个月,2个P-SMFC处理组氨氮含量显著低于其他3个处理组,之后随着运行时间的延长,各处理组之间的变化差异性不大,5个处理组底泥中氨氮去除率均达到80%以上;电极的引入对底泥中硝氮的去除没有产生显著影响;各处理组底泥中总磷去除率不同,分别为PSM1处理组8.67%、SM处理组8.89%、PSM2处理组7.33%、PS1处理组12.45%、PS2处理组8.89%,产电过程抑制了磷的迁移,有助于底泥中磷的稳定。     

串联微生物燃料电池的电压反转行为

微生物燃料电池是一种处理废水同时产电的具有广阔应用前景的新型水处理技术,其串联是产生更高电压的有效方法之一,但是会产生电压反转现象降低串联微生物燃料电池的性能.文章将二极管引入串联微生物燃料电池中以考察电压反转的行为.结果表明,不同的串联微生物燃料电池中均会发生电压反转.串联正向二极管的微生物燃料电池的电压反转行为与没...     

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。     

十二烷基磺酸钠(SDS)改性蒙脱石对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附研究

以阴离子表面活性剂(十二烷基磺酸钠,SDS)为改性剂制备了有机蒙脱石,研究其对Cu2+、Cd2+的吸附行为,并用XRD、FTIR、SEM、XPS对有机蒙脱石进行表征.实验结果表明,有机蒙脱石对Cu2+、Cd2+的吸附基本上在20min内达到平衡,并随pH增大(1.0～7.0),吸附量增加,最佳pH约为6.0.有机蒙脱石对Cu2+、Cd2+的吸附等温线更符合Langmuir等温吸附方程,SDS改性蒙脱石对Cu2+、Cd2+的最大吸附量较纯蒙脱石分别增加15.7%、15.5%.XRD、FTIR、SEM、XPS及碳含量分析结果显示,SDS主要分布在蒙脱石表面且相对稳定,少量嵌入层间,有机蒙脱石对Cu2+、Cd2+的吸附机制为配位吸附和离子交换.     

一株氧化亚铁硫杆菌的筛选及生长条件研究

从广东省大宝山矿区尾矿中分离纯化得到一株嗜酸细菌,对其进行DNA提取和16S rRNA扩增后测序,将测序结果与国际基因数据库Genbank中已有相关菌株序列进行相似性比对后,发现该菌株与氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacil-lus ferrooxidans)Tf-49菌位于系统发育树的同一分支中,二者相似度高达99%以上,确定其为氧化亚铁硫杆菌并命名为DBS-8菌。另外,通过设计5因素4水平的正交实验,研究了接种量、培养温度、硫酸铵浓度、初始pH和初始亚铁浓度对该菌株生长状况的影响。结果表明适宜该菌株生长的最佳初始条件为:20%的接种量、3.0 g/L硫酸铵、9.0 g/L初始亚铁、pH=2.0和28℃培养,各初始条件对细菌生长影响的顺序为:pH初始亚铁浓度接种量温度硫酸铵浓度。     

生物沥浸去除污泥重金属及改善脱水性能研究

从天然矿山酸性废水中富集制备了3种嗜酸性细菌混培物,开展了污泥生物沥浸实验,研究了沥浸去除污泥重金属(Cu、Zn、Cd)同时改善脱水性能的效果.结果表明,3种嗜酸性细菌混培物均可有效去除污泥中的重金属(P<0.01).沥浸12d后,改进型Starkey培养基富集的嗜酸性细菌混培物对Cu和Cd的去除率分别达到82.0%和82.9%,9K培养基富集的嗜酸性细菌混培物进行生物沥浸处理对Zn的去除率可达到87.5%.同时,生物沥浸还可以显著改善污泥的脱水性能(P<0.01).经过12d沥浸,污泥的离心脱水率可由73.1%上升到90.0%.显微观察和能谱分析结果显示,污泥脱水性能的改善是因为生物沥浸能使污泥结构由絮体状变成明显的颗粒状,并可形成以铁、氧和硫为主要元素组成的次生矿物规则晶体.