微生物燃料电池处理餐饮废水及同步发电性能研究

针对食堂餐饮废水,建立微生物燃料电池实验系统,研究微生物燃料电池废水处理与同步发电性能。首先使用Fe(NO3)3溶液作为阴极电解液进行实验,证明餐饮废水生物降解及产电的可行性;分别采用NaCl溶液和K3[Fe(CN)6]溶液作为阴极电解液进行对比实验,研究不同运行环境下微生物燃料电池的发电性能和污水净化效果。结果表明,采用NaCl溶液和K3[Fe(CN)6]溶液作为阴极电解液时的COD去除率分别是30%和22%左右,平均电流密度分别为5.6和5.2mA/m2。在污水稀释比为2∶1、NaCl电解液浓度为0.4mol/L的情况下,微生物燃料电池系统的发电性能和净水效果达到最佳状态,稳态电流密度为8.8mA/m2,COD去除率为33.3%。     

微生物燃料电池

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先简要介绍了MFCs 的发展简史和基本原理,针对MFCs 产电性能低的现状,分别从产电微生物、电池结构、质子交换膜(PEM)、电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高MFCs 产电性能的研究进展。最后介绍了关于MFCs 的另一些有趣的研究方向：植物MFCs,生物阴极MFCs,以及污水脱氮和有毒废水处理。     

微生物燃料电池

结合最近几年来微生物燃料电池研究进展情况,对微生物燃料电池的电子转移机理,影响电子转移的主要因素和解决方法,以及微生物燃料电池实用化过程中所面临的问题和应用前景进行了综述。     

微生物燃料电池电极材料研究进展

微生物燃料电池以微生物为催化剂将化学能直接转化成电能,可用于废水处理并产生电能,是一种极具应用前景的生物电化学技术. 本文综述了近年来微生物燃料电池电极材料的制备、功能修饰及表面构建等的研究进展,着重介绍了炭基纳米材料的微结构与成分对微生物燃料电池性能的影响,并分析了微生物燃料电池电极材料现存的主要问题,以期不久的将来微生物燃料电池能付之实用.     

污泥水解液基质微生物燃料电池的研究

研究不同污泥热水解时间下水解液特性及其对微生物燃料电池（MFC）产电的影响.水解时间由2 h增至96 h,水解液pH基本稳定于7.4 ~ 8.0;水解时间增加,其电导率逐渐提高至2.53 mS·cm^-1,COD浓度和碱度也不断增加,水解液的缓冲能力不断得到提高.MFC最大功率密度达到25 W·m^-3,COD去除率呈现先增后降,水解6 h时达到最大（47%）;库仑效率在预水解4 h时达到最高（71%）.阳极室pH下降可归因于NH⁴⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子迁移,其中NH⁴⁺的迁移量最大.     

微生物燃料电池的产电机制

微生物燃料电池(MFC)利用微生物作催化剂直接从可降解有机物中提取电能,它具有废弃物处置与产电双重功效,是未来理想的产电方式和有机废弃物资源化处置工艺.当前MFC技术的主要限制因素是电池输出功率低.MFC产电机制的研究是深入掌握电池工作状态、改善电池构造、优化电极材料从而提高输出功率的理论基础.本文将MFC产电机制分为5个步骤,即底物生物氧化、阳极还原、外电路电子传输、质子迁移、阴极反应,对其进行了详细评述,并提出了产电机制的发展趋势与今后的研究思路.     

高锰酸钾作阴极的微生物燃料电池

构建了一个以醋酸钠水溶液为阳极原料、高锰酸钾为阴极氧化剂的双室微生物燃料电池, 考察了阴极溶液浓度、阴极流动状态、外电阻和pH值等因素对电池性能的影响, 监测了电池外电压和两极电极电势的变化过程, 并分析了阴极极化的原因和限制微生物燃料电池(MFC)的关键因素. 研究结果显示: (1) MnO2在碳纸表面的沉积是阴极极化的主要原因, 而溶液流动可以明显降低极化程度; 将高锰酸钾溶解在缓冲溶液中可以进一步降低阴极H+浓差极化; (2) 根据极化曲线可以推断, 影响电池输出功率的决定性因素应是微生物代谢反应速度和微生物与电极之间的电子传递速率; (3) 随外电阻的变化, 电池输出功率出现极大值824 mW/m2, 相应外电阻为300 Ω左右, 这与通过I-V关系曲线推导得到的电池内阻(284±18) Ω相吻合; (4) pH值和高锰酸钾浓度对电池阴极电极电势的影响符合Nernst方程.     

微生物燃料电池阴极脱氮

微生物燃料电池(MFC)阴极电子受体的多样性可实现其阴极脱氮,从而将产生的电能合理利用,因此阴极脱氮成为了MFC的一个研究方向,同时也为实际废水中氮素的去除提供了新的可能。然而在反应过程中有众多因素会导致NOx-N与其他电子受体竞争阳极电子的现象,影响阴极反硝化过程对于电子的利用率,从而造成脱氮效率低等现实问题。目前已有许多研究通过优化MFC自身结构弥补产电的缺陷,及将与其他工艺系统耦合实现同步硝化反硝化等方法,取长补短以增加脱氮效率,降低对碳源的需求,以此解决微生物燃料电池阴极脱氮出现的问题。本文从MFC不同的脱氮历程、MFC工艺条件(pH、C/N、DO)、极室分隔材料等影响MFC阴极脱氮的因素及影响其阴极反硝化微生物群落构成等方面,进行了综述并预测未来研究方向。     

微生物燃料电池生物阴极

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)利用微生物处理废水的同时产电,是一种清洁可再生能源技术。近年来新兴起的生物阴极是指阴极室中的功能微生物附着在电极表面形成生物膜,电子由电极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应;是微生物燃料电池研究的一个重要方向。本文根据厌氧、好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类;归纳总结了微生物组成、电极和分隔材料的研究进展,探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中的实际应用,并提出了其将来发展的可能方向。     

生物阴极微生物燃料电池

传统微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)主要由生物阳极与非生物阴极组成,属于半生物燃料电池,存在化学药剂再生困难、需要铂等贵金属催化及成本高等缺陷。生物阴极则利用微生物参与阴极反应克服了这些缺陷。微生物参与MFCs阴极反应,最初在海底沉积物MFCs中被发现。为了提高空气-生物阴极的产电效率,人们进行了以铁、锰等过渡金属氧化物修饰电极材料的研究。在厌/缺氧环境中,生物阴极可将硝酸盐和硫酸盐等作为最终电子受体。对生物阴极研究的深入为MFCs工业化应用开辟了道路,此外,本文在文献综述的基础上提出了铁锰联合修饰生物阴极材料的可能性。     

Using 3D Composite Electrode Materials for Electricity Generation from Swine Wastewater in a Dual‐Chamber Microbial Fuel Cells

Swine wastewater has a high concentration of organic matter, suspended solids, and higher ammonia nitrogen, odor, complex polluting ingredients, and large emissions. A two‐chambered cubic microbial fuel cell (MFC) was used to evaluate the effect of a novel three‐dimensional (3D ) electrode made of 3D iron composites and 3D stainless composites on the electricity generation. Swine wastewater with a total chemical oxygen demand (TCOD ) of 3688 ± 300 mg/L was used as the feedstock in the anode chamber. The MFC reactor was incubated with an initial pH of 7.0 in an air shaker with a temperature of ~35°C and 100 rpm in the fed‐batch mode. A fixed external resistance (R ) of 100 Ω was connected between the electrodes, and the closed‐circuit potentials of the MFCs were recorded every 5 min. The results showed that using an iron–carbon fiber composite 3D electrode resulted in a peak electricity generation of 321 mV on the first 2 days and maintained a stable voltage of 163 mV during the second to sixth days. The COD removal efficiency could reach 75%. Using a stainless–carbon fiber 3D electrode could generate a peak voltage of only 29.5 mV and a stable voltage of 15.2 mV with a COD removal efficiency of 54%.     

空气阴极生物燃料电池电化学性能

为提高生物燃料电池(MFC)的输出功率, 降低内阻和有机物处理成本, 实验以空气电极为阴极, 泡沫镍(铁)为阳极,葡萄糖模拟废水为基质构建了直接空气阴极单室生物燃料电池, 考察了电池的电化学性能. 结果表明, MFC的开路电压为0.62 V, 内阻为33.8 Ω, 最大输出功率为700 mW·m-2 (4146 mW·m-3污水), 电子回收率20%. 放电曲线、循环伏安测试表明, MFC首次放电比容量和比能量分别为263 mAh·g-1 COD(化学需氧量)和77.3 mWh·g-1 COD, MFC充放电性能及稳定性均较好. 电化学交流阻抗谱(EIS)分析表明, 随放电时间的延长, 电池阻抗增大, 这是导致电池输出电压逐渐降低的原因之一. MFC运行8 h, COD的去除率为56.5%, 且COD的降解符合表观一级反应动力学.     

以新亚甲基蓝为电子媒介体的大肠杆菌微生物燃料电池的研究

以新亚甲基蓝(NMB) 为电子媒介体, 大肠杆菌为微生物催化剂, 设计了微生物燃料电池(MFC). 该MFC的开路电压为0.760 V, 短路电流为1.108 mA, 最大输出功率为116 mW/m2, 此时所对应的电流密度为390 mA/m2. 比较了中性红(NR)和NMB作为电子媒介体对MFC性能的影响. 实验结果表明, 以NMB为电子媒介体的MFC的开路电压比以NR为电子媒介体的MFC的开路电压低, 但其开路电压达到稳定所需要的时间更短, 而且其短路电流比后者高. 当放电电流大于114 mA/m2时, 前者比后者的输出功率高, 在负载1000 Ω放电时, 前者比后者有更好的稳定性.     

Ti-PbO2-La电极处理硝基苯废水

利用电沉积法制备Ti-PbO2-La电极,考察了不同掺镧电极对电化学氧化反应中?OH生成的影响,结合SEM、XRD发现,电镀液中掺镧可使电极活性层发生结构改变,增大电极稳定性的同时生成更多的羟基自由基参与降解反应。实验表明当掺杂量为0.015mol/L时电极对模拟水处理效率最高。硝基苯、化学需氧量的浓度变化和电流强度、溶液pH、初始浓度有关。实际水的最佳处理条件是：I=0.9A,pH=5,d=1cm。当NB(ρ)=322.7mg\L,CODcr=1730mg/L时,反应2.5h后, NB(ρ)<0.2mg/L;反应4.5h后,CODcr<40mg/L。     

微生物燃料电池在传感分析中的应用及研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种利用微生物将化学能直接转化为电能的装置.近年来,除改善微生物燃料电池的输出性能外,研究者也不断开发其在传感分析中的应用.基于微生物燃料电池的传感分析装置无需外加电源,具有操作简单、可连续检测等优点,是一种极具应用前景的传感分析技术.本文依据这些传感分析装置的用途进行分类,主要综述了微生物燃料电池在检测分析生化需氧量(BOD)、挥发性脂肪酸、毒性物质、微生物活性和数量以及其它方面的研究,并对其发展趋势和应用前景进行了展望.     

微生物燃料电池影响因素及作用机理探讨

以生活污水为初始接种体, 以醋酸钠水溶液为原料, 构建了一个无媒介体、无膜的单室微生物燃料电池, 考察了溶液的浓度、外电阻、温度和氧气的加入等因素对电池性能的影响, 监测了电池外电压和两极电极电势的变化过程, 分析了微生物燃料电池的运行机理. 研究结果表明: (1) 阳极吸附的微生物的活性是影响电池输出电压(输出功率)的关键因素. 营养液初始浓度越高, 微生物活性越高, 输出最大电压越高, 输出电压与浓度之间的关系符合MONOD方程; 溶液中溶氧的存在使微生物活性明显降低, 但溶氧浓度降低到一定程度后, 活性逐步恢复; 随着电池温度的升高, 微生物活性快速上升, 但温度突变到50 ℃后, 微生物活性明显降低; (2) 电池换水后, 由微生物活性所决定的阳极电势迅速达到平衡, 而阴极电势需要较长的时间才能达到极大值; (3) 随电流密度的变化, 两极电极电势相应发生变化, 其变化趋势符合原电池的基本规律; (4) 随外电阻的变化, 电池输出功率出现极大值, 即当外电阻为200 Ω时, 电池输出功率达到346 mW/m2.     

Experimental Study on COD Composition and Electrochemical Degradation of Wastewater in Offshore Oilfields

Chemical oxygen demand (COD ) of standard discharge wastewater in offshore oilfields is an important part of oilfield wastewater treatment. Polymer‐containing oily wastewater from oilfields in Bohai Sea was taken as the subject of this study. Combined with wastewater treatment experiments, the major composition of COD such as oils, polymer, and chemical agents is studied. Under certain conditions, the two‐dimensional plug‐flow electrochemical reactor was used to treat wastewater, and a linear relation between COD and concentration was established in the low concentration range. A preliminary study was carried out on the main factors of COD removal, and the results show that, compared to the polymer, oils are more easily electrolyzed whereas the chemical agents are more difficult to be electrolyzed. The highest COD removal by electrochemical treatment of wastewater was 75.34%, and the residual COD in wastewater was mainly contributed by the chemical agents and polymer that were not degraded completely.