反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可在去除废水中污染物的同时回收电能.以S2-和NO-3-N分别作为阳极电子供体和阴极电子受体,研究了反硝化脱硫MFC的同步阳极除硫与阴极脱氮,分析了阳极进水S2-浓度对MFC产电性能及污染物去除情况的影响,探究了MFC阳极石墨纤维丝上的硫沉积情况及其对内阻的影响.结果表明,反硝化脱硫MFC在32 d内实现稳定的阳极除硫与阴极脱氮.外阻为100Ω时,电压稳定在(176.0±6.9)m V,相应的S2-和NO-3-N去除负荷分别为(0.94±0.04)kg·m-3NC·d-1和(11.1±0.6)g·m-3NC·d-1.MFC的产电能力随着阳极进水S2-浓度的增加逐渐增强,SO_2-4的生成率和NO-3-N去除负荷受S2-浓度影响较小.在试验S2-浓度下S2-的去除较彻底,SO_2-4的生成率均超过65%.NO-3-N去除负荷维持在12 g·m-3NC·d-1左右,出水NO-2-N浓度均低于0.01 mg·L-1.反硝化过程较完全.在运行过程中,MFC阳极的石墨纤维丝上会沉积颗粒硫,降低电极的有效面积,使MFC的内阻升高.     

利用微生物燃料电池回收含铜废水中的铜

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材料,有机废水为阳极底物,以厌氧活性污泥为厌氧菌种,含铜废水为阴极液,构建了双室MFC反应器。研究了利用双室MFC产电的同时从含铜废水中回收单质铜的可行性,结果表明:连续流MFC最大电流密度可达0.63 mA/m2,产电性能略好于间歇流MFC。加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC,其最大电流密度可达4.44 mA/m2,是加入磷酸盐缓冲溶液的间歇流MFC的7.05倍,是未加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC的1.92倍。间歇流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu2O,连续流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu和Cu2O的混合物。MFC对含铜废水中Cu2+去除率均可达80%左右,尤其是连续流MFC,对Cu2+去除率可达99%以上。     

单室MFC型生物毒性传感器对重金属离子的检测研究

构建了单室微生物燃料电池(air-cathode microbial fuel cell,ACMFC)型生物毒性传感器,以含重金属离子(Cd2+、Cu2+)人工配水为检测对象,分析了有毒物质对检测仪的抑制率与有毒物质浓度的线性关系.结果表明,①单室MFC型生物毒性传感器结构简单,操作方便,灵敏度较高,可用于水体重金属离子(Cd2+、Cu2+)生物毒性的快速检测;②在实验条件下,该生物毒性传感器检测时间4h,清洗时间2～10min,恢复时间4h;③检测结果显示,实验室自配Cd2+、Cu2+及其混合液IC20值分别为0.6、0.8和0.25mg/L,有毒物质浓度与MFC产电量的抑制率呈显著正相关,相关系数分别为0.9960、0.9744和0.9907.     

石墨烯/聚苯胺修饰阴极对反硝化MFC性能影响

反硝化生物阴极微生物燃料电池（MFC）以电极为电子供体,在自养条件下完成硝酸盐去除过程.本研究以碳布（CC）为基底材料,分别制备获得还原氧化石墨烯修饰（rGO-CC）,聚苯胺修饰（PANI-CC）及二者复合修饰的CC电极（rGO/PANI-CC）,并考察其作为阴极材料对反硝化生物阴极MFC产电脱氮性能的影响.扫描电镜结果显示,rGO-CC和PANI-CC的碳纤维分别被片层状rGO和网状PANI覆盖,而rGO/PANI-CC表面呈现PANI在附着rGO的碳纤维上团聚的形貌,均增大了碳布的比表面积.循环伏安测试显示,rGO/PANI-CC具有最高的电化学活性.以rGO-CC,PANI-CC和rGO/PANI-CC为阴极构建MFC的产电能力分别提高了82%,24%和41%,其阴极对NO₃^--N的去除能力增强了23%,9%和13%.16S rDNA测序结果揭示修饰后电极表面微生物的多样性下降,Stappia和Pacacoccus属微生物的丰度增加.     

利用玉米浸泡液产电的微生物燃料电池研究

以玉米淀粉生产过程中的浸泡液（玉米浸泡液）作为接种液和基质,利用“三合一”膜电极的单室空气阴极微生物燃料电池进行试验,采用在线监测电压和废水分析方法对产电功率和化学需氧量（COD）、氨氮进行测定,探讨高COD、高氨氮有机废水产电及废水处理的可行性.结果表明,经过94 d（1个周期）的连续运行（固定外电阻为1 000 Ω）,17 d时输出电压达到最大（525.0 mV）,稳定期最大输出功率可达169.6 mW/m²,此时电池相应的电流密度为440.2 mA/m²,内阻约为350 Ω,开路电压619.5 mV;但燃料电池电子利用效率较低（库仑效率为1.6%）;1个周期结束时浸泡液的COD去除率达到51.6%,氨氮去除率25.8%.本试验利用玉米浸泡液成功获得电能,同时对浸泡液有效地进行了处理,为其资源化利用提供新途径.     

两株产电菌电子介体介导的胞外电子传递机理研究

构建了Klebsiella oxytoca d7和Shewanella sp.F1 2种纯菌燃料电池，探究了产电菌在产电过程中电子介体传递电子机制.结果表明：K.oxytoca d7只有作产电呼吸时，才会产生电子介体，而Shewanella. sp.F1在好氧呼吸、厌氧呼吸、产电呼吸下均能产生介电体，说明电子介体的产生与产电菌种类有关.两种菌介电体氧化还原电位相当（-250，210mV），且介于呼吸链NADH和辅酶Q之间.其介电体在胞内呼吸链上截获的电子均源于NADH，说明电子“逸出”位点只取决于介电体本身.K.oxytoca d7在碳源充足和不足时，电子介体产电量分别占总电量的60%和41%；Shewanella. sp.F1分别是57%和50%，说明在碳源充足时，2种菌的产电呼吸都以电子介体机制为主.介电体传递电子过程直接影响了阳极底物的转化和燃料电池的产电性能.     

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.     

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)...     

耦合厌氧氨氧化反应的高氮负荷型双室MFC性能研究

实验针对厌氧氨氧化反应在双室型MFC阳极和阴极2种形式的耦合,将厌氧氨氧化菌分别接种于a、b-双室型MFC的阳、阴极,并探究其产电、脱氮性能及脱氮机理.结果表明,2种类型的MFC均可在NH+4-N、NO-2-N浓度分别为400 mg·L-1和528 mg·L-1的高氮浓度模拟配水条件下稳定启动.与开路状态下的线性关系曲线不同,2类MFC在闭路状态下氨氮、亚硝态氮浓度均呈单指数关系衰减曲线,脱氮效率显著提高,周期内氨氮、亚硝态氮去除率均分别达到99%和85%以上.另外a、b-MFC平均容积氮去除负荷分别为0.417 kg·m-3·d-1和0.516 kg·m-3·d-1.在外阻1500Ω条件下,a-MFC最高输出电压48.0 m V,b-MFC最高输出电压可达到502.2 m V,b-MFC稳定输电周期约2170 min.     

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.