阴极催化剂对微生物燃料电池性能的影响

以不同载量的MnO_2/rGO和Pt/C修饰阴极电极构建了生物阴极型双室微生物燃料电池(MFC),考察了不同阴极催化剂修饰MFC对其产电性能以及老龄垃圾渗滤液主要污染物去除效果的影响。结果表明,以MnO_2/rGO修饰MFC阴极电极材料,能显著提高MFC产电性能及对老龄垃圾渗滤液中污染物去除效果;输出电压为372 mV,功率密度为194 mW/m~3(是未经催化剂修饰MFC的两倍),内阻为264Ω,化学需氧量(COD)和氨氮(NH_3-N)去除率分别为58.68%和76.64%。当MnO_2/rGO载量为.0 mg/cm~2时,MFC性能与负载Pt/C的MFC性能接近,但构建成本却明显降低。     

不锈钢网阴极微生物燃料电池的产电性能研究

构建了一个以曝气池污泥为阳极接种微生物、碳毡为阳极、无任何修饰的不锈钢网为阴极的双室微生物燃料电池. 通过输出电压、功率密度以及电化学阻抗等考察了阴极面积对电池产电性能的影响,并对电池的长期运行稳定性进行评价. 研究结果表明,不锈钢网作为微生物燃料电池的阴极性能稳定. 当不锈钢网面积为2 × 2 cm²时,最大输出电压达到0.411 V,功率密度为0.303 W•m^-2,内阻841 Ω,极化内阻80 Ω. 增大阴极面积至2 × 4 cm²,最大输出电压能达到0.499 V,内阻减小至793 Ω. 不锈钢网价格便宜,具有长期运行稳定性,适宜做MFCs的阴极.     

双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池

构建了双极室连续流联合处理废水的微生物燃料电池(MFC), 该MFC阳极室的出水直接用于阴极室的进水, 利用阴极室的好氧微生物进一步降解有机物. 以啤酒废水作底物, 研究了该MFC的产电性能和废水处理效果. 结果表明, 采用双极室连续流MFC可以大大提高废水的处理效果, 对啤酒废水化学需氧量(COD)的总去除率可达92.2%~95.1%, 其中阳极室中COD去除率为47.6%~56.5%. MFC的开路电压为0.451 V, 最大输出功率为2.89 W/m³. 实验中抑制MFC性能的主要因素是阴极的极化损失, 通过降低进入阴极室溶液的COD浓度、采用优质的阴极材料和加大阴极室内的曝气量等方法进一步优化电池的性能.     

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.     

阳极改性对单室微生物燃料电池性能的影响

构建了老龄垃圾渗滤液为底物的空气阴极型单室微生物燃料电池,以考察阳极不同改性方式对微生物燃料电池产电性能和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,碳毡阳极经过热处理、浓硝酸、酸性重铬酸钾、混酸的改性后,电池的最大输出功率密度分别提高了104%、241%、51%、181%,COD的去除率变化不大,但氨氮去除率分别增加了22.2%、21.8%、2.3%、47.3%。垃圾渗滤液pH值升高、电导率呈下降趋势。     

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。     

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

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。     

金属离子在微生物燃料电池中的行为

在废水处理方面,微生物燃料电池具有在净化废水的同时回收能源或有价值化学品等突出优点,已经成为人们研究的热点。在微生物燃料电池中,金属离子能直接或者间接参与阳极和阴极过程,其对溶液的电导率、反应器的内阻和功率密度、产电微生物的活性等都有重要影响。本文综述了金属离子参与微生物燃料电池的机制及其影响因素,并且介绍了微生物燃料电池在去除废水或者固体废弃物中重金属离子方面的优势和发展前景。     

Optimization of double chamber microbial fuel cell for domestic wastewater treatment and electricity production

Microbial fuel cells (MFCs) represent a new approach for treating waste water along with electricity production. The present study addressed electricity production from domestic wastewater using a mediator-less double chamber MFC. The electricity production was monitored under different operational conditions for both summer and winter samples. Optimization of the anodic and cathodic chambers resulted in a maximal current of 0.784 and 0.645 mA with the maximal power intensity of 209 and 117 mW/m² in power duration of 24 h for the summer and winter samples, respectively. Scanning electron microscopy showed that the bacterial biofilm formation on the anode was denser for the summer sample than that when the winter sample was used, so was the total bacterial count. Therefore, samples taken during summer were considered better in electricity production and waste water treatment than those taken during winter basically because of the high microbial load during the hot season. In parallel, there was a decrease in both biological oxygen demand (BOD₅) and chemical oxygen demand (COD) values which reached 71.8% and 72.85%, respectively at the end of the operation process for the summer sample, while there was no evident decrease for the winter sample. Optimizing the operating conditions not only increased the potential of using domestic waste water in microbial fuel cells to produce electricity, but also improved the quality of the domestic waste water.     

共基质改善MFC处理链霉素废水及产电性能的研究

以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,以驯化的人工湖泊底泥为微生物菌种,以链霉素废水为阳极液,构建微生物燃料电池实验系统,研究添加共基质前后微生物燃料电池的废水处理效果与同步发电性能。结果表明,以链霉素废水为阳极液的微生物燃料电池的产电能力及废水处理效果均较差,并且随着链霉素浓度的增大而进一步恶化;但将葡萄糖作为共基质添加至阳极链霉素废水后,微生物燃料电池的产电能力和废水处理效果均显著提高。链霉素浓度为50 mg/L时,未添加共基质的微生物燃料电池处理链霉素废水的COD去除率为52%,产电电流密度为25 m A/m~2,输出电压为4.72 m V;添加共基质后,COD去除率为92%,稳态产电电流密度为300 m A/m~2,稳态输出电压为54 m V。     

生物燃料电池处理生活污水同步产电特性研究

以某生活污水处理厂缺氧池活性污泥为接种体,以葡萄糖为模拟生活废水,构建双室型微生物燃料电池。利用微生物燃料电池(MFC,Microbial fuel cell)实现生活废水降解与同步产电。研究基质降解动力学及温度对MFC电极过程动力学的影响,明确微生物电化学活性、阳极传荷阻抗、阳极电势、电池产能之间的关系,考察库伦效率及COD去除率。研究结果表明,电池功率输出与基质浓度关系遵循莫顿动力学方程:P=Pmaxc/(ks+c),其中,半饱和常数ks为138.5 mg/L,最大功率密度Pmax为320.2 mW/m2。葡萄糖浓度较小时,反应遵循一级动力学规律:-dcA/dt=kcA,k=0.262 h-1。操作温度从20℃提高到35℃,生物膜电化学活性不断提高,传荷阻抗从361.2Ω减小到36.2Ω,阳极电极电势不断降低,同时,峰值功率密度从80.6 mW/m2提高到183.3 mW/m2。45℃时,产电菌活性降低,峰值功率密度减小到36.8 mW/m2。葡萄糖浓度为1 500 mg/L,温度为35℃时,MFC电化学性能最佳,稳定运行6 h后库伦效率为44.6%,COD去除率为49.2%。     

电极面积对老龄垃圾渗滤液为底物的微生物燃料电池性能影响

构建生物阴极型双室微生物燃料电池,处理老龄垃圾渗滤液。研究了阳极与阴极面积比值对微生物燃料电池产电能力和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,阳极与阴极面积比为1:2、2:2、2:1的3组生物阴极型微生物燃料电池输出电压分别为408、452、396mV,最大电功率密度分别为145.73、237.65、136.50mW/m³,内阻分别为350、200、400Ω,COD的去除率分别为21.18%、20.20%、22.31%。3组微生物燃料电池运行30d后,垃圾渗滤液中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度均下降,其中,氨氮去除率分别为80.88%、73.61%和66.17%,其去除效果与产电性能相关。     

Optimization for the improvement of power in equal volume of single chamber microbial fuel cell using dairy wastewater

Microbial fuel cells (MFCs) are a type of sustainable technology that may treat wastewater and generate power at the same time. Therefore, researchers are being challenged to design a technically feasible bio electrochemical system that generates environmentally friendly and renewable electricity from waste water. The current research examined at how MFC may be used to generate electricity while treating real dairy wastewater (RDW) with Pseudomonas aeruginosa-MTCC-7814. The experiments were carried out in fed-batch mode for 15 days in two 300 ml single chamber microbial fuel cells (SCMFCs) that were connected in series. During a fed batch investigation, three process parameters such as inoculum percentage, temperature, and pH were optimized. Inoculum percentage, temperature, and pH were found to be optimal at 5%, 37 °C, and 7.4, respectively and the highest open-circuit voltage was found to be 1025 mV. The COD removal efficiency and columbic efficiency (CE) were found to be 95.84% and 37.13% respectively. The optimized fed batch process yielded the maximum current density and power density of 313 mA/m² and 105 mW/m², respectively. Thus, this work successfully demonstrates that connecting single chamber microbial fuel cells (SCMFCs) in series is a viable technique for generating sustainable power utilizing Pseudomonas aeruginosa-MTCC-7814 from dairy wastewater.     

Electricity production by a microbial fuel cell fueled by brewery wastewater and the factors in its membrane deterioration

Electricity production from brewery wastewater using dual-chamber microbial fuel cells (MFCs) with a tin-coated copper mesh in the anode was investigated by changing the hydraulic retention time (HRT). The MFCs were fed with wastewater samples from the inlet (inflow, MFC-1) and outlet (outflow, MFC-2) of an anaerobic digester of a brewery wastewater treatment plant. Both chemical oxygen demand removal and current density were improved by decreasing HRT. The best MFC performance was with an HRT of 0.5 d. The maximum power densities of 8.001 and 1.843 μW/cm2 were obtained from reactors MFC-1 and MFC-2, respectively. Microbial diversity at different condi-tions was studied using PCR-DGGE profiling of 16S rRNA fragments of the microorganisms from the biofilm on the anode electrode. The MFC reactor had mainlyGeobacter,Shewanella, andClostridium species, and some bacteria were easily washed out at lower HRTs. The fouling characteristics of the MFC Nafion membrane and the resulting degradation of MFC performance were examined. The ion exchange capacity, conductivity, and diffusivity of the membrane decreased significantly after foul-ing. The morphology of the Nafion membrane and MFC degradation were studied using scanning electron microscopy and attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy.     

高效传质与电子转移的全纳米线光催化燃料电池自驱动净水同步产氢

分别以三维分级碳布基底上组装的TiO₂纳米线阵列和铂化的硅纳米线阵列作为光阳极和光阴极,构建了具有高效传质和电子转移特征的全纳米线光催化燃料电池。在光照作用下,光阳极微流道内的光生空穴能有效氧化降解有害污染物,这同时增强了光电子还原水产氢的活性。与传统的平面式光电极相比,全纳米线光催化燃料电池在不需要外部偏压条件下即可高效降解模拟印染废水和同步生成氢气新能源。     

高效传质与电子转移的全纳米线光催化燃料电池自驱动净水同步产氢

分别以三维分级碳布基底上组装的TiO₂纳米线阵列和铂化的硅纳米线阵列作为光阳极和光阴极,构建了具有高效传质和电子转移特征的全纳米线光催化燃料电池。在光照作用下,光阳极微流道内的光生空穴能有效氧化降解有害污染物,这同时增强了光电子还原水产氢的活性。与传统的平面式光电极相比,全纳米线光催化燃料电池在不需要外部偏压条件下即可高效降解模拟印染废水和同步生成氢气新能源。     

电化学法改性阳极对MFC性能的影响

采用不同质量分数的NH_4NO_3和(NH_4)_2S_2O_8溶液作为电解液,对双室微生物燃料电池的阳极炭布进行改性。以餐厨废水作为阳极底物,以K_3[Fe(CN)_6]和NaCl混合溶液为阴极液,考察不同电解液改性阳极条件下微生物燃料电池的产电性能及污水处理效果。结果表明,采用NH_4NO_3或(NH_4)_2S_2O_8改性炭布作为阳极的微生物燃料电池的发电性能和水处理效果均有改善。其中,采用质量分数为4%的(NH_4)_2S_2O_8溶液作为阳极改性电解液时,微生物燃料电池系统的产电性能达到最佳,其稳态电流密度约为60 m A/m~2,COD去除率约为42.5%。