基于CBS-ZT菌的双室微生物燃料电池研究

采用循环伏安法研究中国长白山地面温泉水分离出的热解纤维素果汁杆菌属(CBS-ZT)的直接电化学行为,CBS-ZT菌在玻碳(GC)电极表面发生了表面控制、准可逆的直接电化学反应,其活性中心是亚铁血红素。以CBS-ZT菌为阳极,铁氰化钾为阴极构建成双室微生物燃料电池。在35℃严格厌氧条件下,经过10 d CBS-ZT菌的培养,双室微生物燃料电池成功启动,该电池的最大开路电压为0.54 V,最大输出功率密度为11μW/cm²。     

膜面积及阳极面积对立方体型MFC产能影响的研究

以生活污水为底物,普通石墨棒为电极,构建立方体型微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)。研究了阳离子交换膜(Cation Exchange Membrane, CEM)面积和阳极面积对微生物燃料电池产电能力的影响.阳极以厌氧污泥作接种体并且无使用中介体,两室分隔物使用阳离子交换膜(cation exchange membrane,CEM),阴极使用无催化剂的普通碳电极.采用几种不同的阳极面积和阳离子交换膜面积,以最大功率密度和内阻等作为比较参数,比较其产电性能.实验结果表明：（1）当阳离子交换膜面积较小时,功率密度随其增加而增大,内阻则随其增加而减小.但两者的变化幅度均逐渐减小.两者到达极值后,功率密度随其增加而减小,内阻则随其增加而增大.在膜面积为21cm2的时候,电池各项性能指标均达到最佳,其开路电压（OCV）为233mV,最大功率密度为3.44mW?m-2,电池内阻为2.10 KΩ.（2）MFC产能除了与膜面积相关外,受阳极面积的限制也很大,要得到最大的能量输出,膜面积应该略大于阳极面积.最佳产能时离子交换膜与阳极的面积比为1.37.     

动态磁场对Geobacter sulfurreducens产电特性的影响

以Geobacter sulfurreducens为产电菌构建双室微生物燃料电池(MFC)。产电菌液分别在0、100、200mT的垂直磁场下动态处理1h,然后接种到MFC1、MFC2和MFC3中,研究动态磁场处理对MFC产电性能的影响。实验结果表明:动态磁场处理使产电菌反应器的启动时间延长、稳定电压降低、表观内阻增大,MFC1、MFC2和MFC3的表观内阻依次为329、507、353Ω;通过电化学阻抗谱测试可知,相比对照组MFC活化内阻,经磁场处理的产电菌MFC全电池的活化内阻变大,其中MFC1、MFC2和MFC3的活化内阻依次为12.34、28.29、16.87Ω;循环伏安测试发现经过动态磁场处理的产电菌其电化学活性降低。     

传质对土壤微生物燃料电池的产电性能及阿特拉津降解的影响

构造以阿特拉津为目标污染物的土壤微生物燃料电池,通过向土壤中添加不同的介质改变传质条件,以及构造阴极水层改变阴极含氧量来对比不同条件下土壤微生物燃料电池(MFC)的产电性能和阿特拉津的降解率.结果发现:导体介质可以促进质子和离子在土壤中的传递,增强了电极抗极化能力,添加较大粒径活性炭的土壤MFC产生的最大功率密度为0.020 8 W/m2,同时获得最小总内阻为693Ω;阴极淹水降低了土壤电解质溶液的电导率,使得欧姆内阻增大为1 054Ω;增强传质可以促进土壤M FC中生物电化学作用,进而影响阿特拉津的降解,其中添加导体介质的土壤MFC取得较高的降解率;阴极覆水所形成完全厌氧的阳极环境同样对阿特拉津在土壤MFC的降解具有促进作用.     

石墨烯-钴-聚吡咯复合电极改善藻菌微生物燃料电池性能的研究

通过恒电位法一步将氧化石墨烯、过渡金属Co和聚吡咯（PPy）三者共固定于碳毡电极表面,制备了复合膜电极,采用循环伏安法、交流阻抗对复合电极进行了电化学测试,并将其用作微生物燃料电池（MFC）的阳极和阴极,考察了其对MFC产电性能的改善作用. 结果表明:碳毡电极表面经修饰后,在三者协同作用下碳毡电极的电容显著增大. 这种修饰有效增加了电极比表面积和导电性能,减小了电荷传递阻抗,提高了电极的电子传递效率. 同时,该电极具有良好的生物相容性及稳定性,使藻菌MFC产电功率增大了3.1倍,且内阻减小了76%.     

微生物燃料电池(MFC)处理垃圾渗滤液与同步产电性能

微生物燃料电池(MFC)是能在处理有机污染物时产电的装置。着重研究了MFC同步处理老龄垃圾渗滤液和其产电能力。实验在典型双室MFC装置中进行,其中以碳毡为电极材料,活性污泥为接种源,铁氰化钾溶液为阴极液。MFC驯化6个周期后产电达到稳定,此时以垃圾渗滤液和污泥作为阳极液,检测了电池的产电性能及其对垃圾渗滤液的处理效果。结果表明,经过驯化电池的最大功率密度比使用未驯化的电极对照组提高了22倍,达到了439.1 m W/m~2,电池内阻约为1 kΩ。同时扫描电镜(SEM)观察到电极表面形成一层由典型的球菌和杆菌组成的生物膜。电池运行15 d,垃圾渗滤液化学需氧量(COD)、总氮、氨氮的去除率分别达到了(49.05%±1.40%)、(68.95%±1.07%)、(73.54%±0.91%)。本研究为同步产能及处理老龄垃圾渗滤液提供了数据支持。     

单室微生物燃料电池处理生活污水特性研究

目的研究单室微生物燃料电池(MFC)在间歇运行条件下对COD、NH+4、TP和NO-3的处理效果.方法采用石墨板为阴极,构建了单室空气阴极微生物燃料电池,以混合菌种接种,并以乙酸钠和碳酸氢钠为碳源.结果进水COD质量浓度400~900 mg/L,出水COD质量浓度维持在100 mg/L;NO-3去除率可达到90%以上.单室空气阴极微生物燃料电池可以有效降解污水中的有机物,COD去除率可以达到80%以上,但COD的质量浓度并不是影响MFC电压的主要因素.微生物燃料电池对NH+4和TP去除率都较低,同时表明阳极室中的NH+4和TP并没有参与微生物燃料电池的产电反应,NH+4和TP的质量浓度对微生物燃料电池的电能输出也没有明显影响.结论 MFC对于含NO-3的污水处理效果较好,但去除NO-3的同时对电池的产电效果影响很小.     

基于Co/β-Mo2C修饰碳纸阳极的高性能微生物燃料电池

采用热处理辅助的化学法制备了Co/β-Mo₂C双金属碳化物，将其作为微生物燃料电池(MFCs)阳极催化剂. 采用扫描电子显微镜(SEM)，X-射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等手段研究了形貌和组成，采用电化学交流阻抗(EIS)法、循环伏安(CV)法和单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)研究了其电化学性能. 结果表明:Co/β-Mo₂C具有良好的电催化性能以及出色的微生物相容性. 含有3 mg/cm2 Co/β-Mo₂C的阳极MFC最大输出功率密度和库伦效率分别为483.3 mW/cm2和3.7%，分别是未修饰的碳纸阳极MFC的1.30倍和1.68倍. 该研究可为开发高性能的微生物燃料电池阳极催化材料提供新思路.     

以垃圾渗滤液为燃料的微生物燃料电池产电性能

以吉林省四平市某垃圾场渗滤液为燃料, 纯钛板为负载微生物阳极和阴极, 用盐桥转移电子方式组建双室微生物燃料电池(DCMFC). 研究阴极室溶液电子受体质量浓度、 pH值、 温度等因素对输出功率密度、 开路电压、 内阻等电池性能的影响, 并考察了对垃圾渗滤液的处理效果. 实验结果表明, 阴极溶液以1.0 g/L双氧水为电子受体, 在pH=2.5、 ρ(硫酸钠)=0.5 g/L、 温度约为30 ℃的最佳实验条件下, 该微生物燃料电池的输出功率密度达12.074 W/m², 开路电压为1.13 V, 内阻为76.868 Ω. 经过连续30 d的运行, 垃圾渗滤液化学需氧量(COD)去除率达95%, 表明选择恰当的阴极室溶液能提高微生物燃料电池的产电性能.     

MnO_2@graphene为阴极催化剂的微生物燃料电池产电性能研究

以碳布为阴阳极材料,乙酸钠为底物,MnO_2@graphene为阴极催化剂构建空气阴极单室微生物燃料电池(MFC),研究了阳极液pH、阳极底物初始COD浓度、MFC运行温度等因素对MFC输出电压和产电功率的影响﹒研究结果表明,阳极液pH对MFC产电性能影响最大,而阳极底物初始COD浓度影响最小﹒在阳极液pH为8、MFC运行温度为308 K和阳极底物初始COD浓度为800 mg/L时MFC的产电性能和污水处理最佳﹒在此条件下,MFC对污水中COD的降解率可达98.4%,输出电压和产电功率密度分别可达0.813 V和2 046.9mW/m~2,说明以MnO_2@graphene为阴极催化剂的MFC具有较好的产电性能和污水处理效能﹒     

Mn_3O_4修饰石墨阳极MFC的产电性能与阳极电容特性

制备了Mn_3O_4修饰石墨阳极。在微生物燃料电池(MFC)中研究了Mn_3O_4对MFC产电性能及阳极电容特性的影响。Mn_3O_4修饰阳极的MFC最大功率密度为255mW/m2,比对照组提高了25%。Mn_3O_4修饰阳极的MFC比电容为14.7mF/cm2,比对照组提高了88%。在电化学阻抗(EIS)测试中,创建了R(Q(R(QR)))(QR)模型,对MFC内阻与电容的组成和大小进行了分析。测试表明,Mn_3O_4修饰电极降低了生物膜和电极界面的电荷转移内阻,增大了生物膜和电极界面的赝电容,从而提高了MFC的产电能力和间歇式放电MFC的能量利用率。     

微生物燃料电池聚苯胺膜阳极的制备及性能

 分别用恒电压法、脉冲极化法、循环伏安法制备聚苯胺(PANI)膜阳极,并应用于固定床微生物燃料电池(MFC),考察其产电及污水处理性能。结果表明,与恒电压法和脉冲极化法相比,循环伏安法制备的PANI 膜阳极导电性最好,且其电极电阻(3.65 Ω)与恒电压法制备的电极电阻(55.45 Ω)相比降低了51.8 Ω。循环伏安法制备的PANI 膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为215.6 mW·m^-2和849.3 mV,比恒电压法制备的PANI 膜阳极MFC 最大功率密度和开路电压分别提高了50.6%和45.1%。与恒电压法和脉冲极化法相比,循环伏安法制备的PANI 膜阳极,可一定程度上缩短MFC 启动时间,增加电池产电稳定性,提高MFC 对污水有机物的去除率,为MFC 高性能阳极的制备提供了一种新途径。     

微生物燃料电池电极材料研究进展

 微生物燃料电池(MFC)是一种具备污水处理和产电功能的生物电化学技术装量,在微生物催化下将有机能转化成电能。综述了MFC 电极材料的研究进展,评述了阳极材料及其功能的修饰、阴极催化剂对污水处理和MFC 产电性能的进展,指出MFC电极材料设计和研究是未来的发展重点。     

MFC技术处理铜、银重金属废水的研究

将具有氧化性的有机废水池作为电池的阳极,具有还原性的重金属废水池作为电池的阴极,利用微生物燃料电池(MFC)同时处理有机废水和重金属废水.结果表明,利用铜离子溶液作阴极,MFC最大电压可达到0.277 V,最大功率密度为33.49 mW/m2,COD的去除率为31.6%,铜的去除率可达42%;利用银离子溶液作阴极,MFC最大电压可达到0.311 V,最大功率密度为42.21 mW/m2,COD的去除率为64.6%,银的去除率可达78%.即不管是从产电角度还是从废水处理角度考虑,都是以银离子废水作阴极优于铜离子.     

土壤微生物燃料电池在不同条件下的产电性能及微生物群落结构分析

通过构建一种新型的无膜单室土壤微生物燃料电池(MFC),考察了电极间距和外接电阻对土壤MFC产电性能的影响,并对阳极微生物群落结构进行分析.研究结果表明,电极间距和外接电阻对土壤MFC的输出电压和最大功率密度有显著的影响.当间距从4 cm增大到12 cm时,土壤MFC的输出电压、最大功率密度呈现出先升高后降低的趋势;阴极淹没在1 cm水层以下时,其输出电压显著降低至30 mV左右,最大功率密度为4.67 mW/m~2;外接电阻从300Ω增大到2 000Ω时,土壤MFC的输出电压从80 mV增大到了330 mV,最大功率密度从14.33mW/m~2增大到了60.40 mW/m~2.电极间距的增加或外接电阻的增大对阳极电势有显著影响,而阴极电势并没有发生差异性变化.通过高通量测序分析发现,土壤MFC和开路对照组中的阳极微生物群落结构存在显著差异.产电菌Deltaproteobacteria,Desulfuromonadales和Geobacteraceae在土壤MFC中是优势种群,其中Deltaproteobacteria的相对丰度高达24.91%,Desulfuromonadales和Geobacteraceae的相对丰度也远高于开路对照组.     

微生物燃料电池性能优化及微生物分析

为了进一步提高微生物燃料电池的运行性能,提高硝酸盐降解率及改善电能输出情况,以城镇污水处理厂二沉池污泥为接种源,硝酸钠为电子受体运行典型单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)。以1g/L无水乙酸钠、50 mmol/L磷酸盐缓冲液为模拟废水成功启动MFC,运行稳定后,通过碳源、碳氮比(C/N)、硝酸盐浓度、温度4个因素来优化MFC运行性能。实验结果表明:在温度为30℃、无水乙酸钠为碳源、C/N=5∶1、硝酸盐质量浓度为200mg/L时MFC运行性能最佳,硝酸盐去除率均可达到90%以上,最大电压可达到0.462V。最佳状态下经6个周期运行,MFC最高电压为0.62V,功率密度高达4.53 W/m2;交流阻抗分析最佳运行状态下MFC内阻为130Ω,扫描电镜观察到电极表面微生物种类及数量均明显增多。研究证明MFC可以作为含硝酸盐废水产能净化的有效技术。     

电池充放电曲线基本变化特征的分析

在证明了阴极极化时阴极电势总是向负移,而阳极极化时阳极电势总是往正移这一基本规律的基础上,在简化条件下,采用电化学热力学和动力学的基本理论简述了电池的充放电曲线的几个基本变化特征:电池电位随着恒流放电时间的延长而降低;电池电位随着放电电流的增大而降低;在电池放电接近完成时,电池电位急剧下降;当电池存在不止一对反应时,充放电时反应发生的次序.     

阳极修饰对微生物燃料电池性能的影响

利用PW12/rGO复合材料负载于碳布表面制得PW12/rGO修饰阳极并构建单室空气阴极微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC),考察了PW12/rGO修饰阳极对MFC产电和高氯酸盐(ClO4-)还原性能的影响,并通过对阳极表面形态及其电化学特性的分析,探讨了PW12/rGO修饰阳极改善MFC产电性能的机理.结果 表明,当ClO4-浓度为700 mg/L时,PW12/rGO修饰阳极MFC的最大输出电压和ClO4-平均去除速率分别为200.18 mV和1.15 kg/(m3·d),分别是空白阳极MFC的4.4倍和1.06倍;扫描电镜(SEM)表征显示,PW12/rGO修饰阳极表面附着的微生物量远高于空白阳极;Tafel曲线、循环伏安曲线(CV)和交流阻抗谱(EIS)测试表明,PW12/rGO修饰阳极较空白阳极具有更高的交换电流密度、CV电活性面积以及更低的电荷转移电阻.PW12/rGO修饰阳极提高了阳极电子产量和电子传递速率,进而改善了MFC的产电性能.     

底物对微生物燃料电池产电性能的影响

在自行构建的"H"型双室微生物燃料电池(MFC)中,以湖南省吉首市大田湾污水处理厂曝气池中的污泥为接种污泥,以可溶性淀粉和白糊精为底物,考察不同底物及其质量浓度对MFC获得稳定开路电压所需时间、启动时间、电动势、内阻及功率密度等性能的影响.实验结果显示,在同样的条件下,以白糊精为底物的MFC启动快、内阻小、功率密度较小,而以可溶性为底物的MFC启动慢、内阻大、功率密度大;底物质量浓度低于6g/L时,以可溶性淀粉为底物的MFC达到稳定开路电压的时间随质量浓度增大而增加,底物质量浓度低于8g/L时,以白糊精为底物的MFC达到稳定开路电压的时间随质量浓度增大而增加.由于底物抑制效应,质量浓度较高时,随着底物质量浓度的增加.MFC达到稳定开路电压所需的时间反而减少.     

微生物燃料电池的热力学研究

主要从热力学方面研究微生物燃料电池的特性.研究发现:微生物燃料电池中葡萄糖的氧化是一个放热的熵增反应,能够自发进行.在标准状态条件下,最大发电量为2840kJ/mol;可逆电压为1.227V,其中阴极反应的可逆电压为1.229V,阳极反应的可逆电压为-0.002V.在压强不变的条件下,可逆电压与温度成线性变化关系,但变化幅度不大;在温度不变的条件下,压强与可逆电压无关;浓度对可逆电压的影响由能斯特方程来描述.