微生物燃料电池工作原理及产电性能提升策略

微生物燃料电池(MFC)是一种解决其他能源在环境方面不足的新技术,目前低能量输出是MFC实际应用的关键瓶颈。基于MFC工作原理,提出微生物活性差、电子迁移阻力、质子传输阻力及阴极还原反应缓慢是MFC能量输出的限制因素,并从以下5个方面综述了提升MFC产电性能策略:调节pH和选择最佳盐度,加强微生物代谢活性;改性阳极材料,降低电子迁移阻力;增强电解液电导率、优化隔膜材料及缩短电极间距减小质子传输阻力;制备高效阴极催化剂和选择优异电子受体加快阴极还原反应速率;改进MFC反应器构型,提高整体产电性能。未来,可在合成新型阴极催化剂、降低膜污染、优化微生物生长环境、制备优异的电极材料和改进MFC反应器配置5个方面开展重点研究。

聚中性红修饰电极对微生物燃料电池(MFC)脱氮产电性能的影响

利用电聚合方法制备了聚中性红修饰电极,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱(F TIR)等表征手段对电极材料的微观结构与组成进行研究。为进一步考察聚中性红修饰电极对微生物燃料电池(M FC)脱氮产电性能的影响,构建了各种不同微生物燃料电池。实验表明,聚中性红修饰阴极微生物燃料电池(C PNR-MFC)具有最强的脱氮和产电性能,其次为聚中性红修饰阳极微生物燃料电池(A PNR-MFC)。在不同进水硝氮浓度下,实验组MFCs对硝氮的去除率均达到90%以上,CPNR-MFC具有0.040 kg m-3 d-1的最大硝氮去除速率和15.29W m-3的最大功率密度,较对照组分别提高14.29%和82.51%,而APNR-MFC仅分别提高5.71%和31.93%。通过对比MFCs的电化学特性和微生物特征,探究了聚中性红修饰电极对MFCs性能影响的机理。

微生物燃料电池处理剩余污泥与同步产电性能

针对全球能源短缺和污泥处理过程中能耗较高等问题,采用微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)技术处理剩余污泥并将污泥中的化学能直接转化成电能,从而实现污泥的稳定化与资源化利用.构建以铁氰化钾为阴极电子受体的双室型微生物燃料电池,分别考察了微生物燃料电池以城市污水处理厂剩余污泥为底物时的产电性能和对污泥的降解效果,并从缓冲溶液、阳极底物浓度和阳极区搅拌3个方面分析其对电池产电性能和污泥降解效果影响.电池输出电压可达到0.66 V,MFC运行一个周期,对污泥总化学需氧量TCOD(total chemical oxygen demand)的去除率为36.4%,阳极区缓冲溶液的投加和搅拌均可提高电能的输出及对污泥TCOD的去除能力.

不同温度下微生物燃料电池的运行特性

实验采用双室型微生物燃料电池(MFC),以生活废水中厌氧菌作为生物催化剂,葡萄糖为燃料,通过5个不同温度条件下的间歇运行,应用循环伏安、交流阻抗、极化测试等电化学方法考察温度对电池产电性能的影响。结果表明,一定温度范围内,提高温度有助于增强微生物的电化学活性,降低传荷阻抗,提高电池输出功率密度和交换电流密度。32℃时,电池产电效能最佳,电池功率密度和交换电流密度分别达到156.2 mW/m2和8.02×10-5 mA/m2,温度太低或太高均不利于细菌的电化学活性。体系温度为18℃、25℃、32℃、39℃、46℃时,传荷阻抗Rct在阳极内阻中占的比例分别为97.99%、84.02%、47.36%、91.30%、99.61%,说明传荷阻抗在阳极内阻中占绝对份额,MFC是传荷过程控制下的电化学反应体系。

不同废水基质条件下微生物燃料电池中细菌群落解析

搭建了1个小型连续运行的无介体微生物燃料电池(MFC),分别以2种不同的有机废水为进水基质,均成功地实现了连续产电,同时对废水中的有机物也具有很好的去除效果.以葡萄糖为基质的微生物燃料电池的输出电压为435mV,以厌氧出水为基质的燃料电池的输出电压为475mV,2种基质系统中,COD去除率均达到60%以上.采用构建16S rRNA基因文库、随机测序的方法,对不同基质阳极表面的微生物群落结构进行研究.结果表明,产电阳极表面的细菌种类会发生很大变化,但其中几类与产电相关细菌的相对含量的变化不大,主要是低G+C革兰氏阳性细菌,变型细菌β亚纲(β-proteobacteria)和变型细菌δ亚纲(δ-protecobacteria)的细菌.本试验中的高产电细菌可能属于地杆菌科(Geobacteraceae).

基于混菌产电微生物燃料电池的最新研究进展

混菌微生物燃料电池(MFC)是直接利用环境中多种微生物附着于阳极而产电的方式,相对于纯菌MFC的前期菌种培养和富集,混菌电池的启动不仅省时且更节约成本,同时其抗环境冲击的能力也更强,电池稳定性更高。介绍了混菌MFC的最新研究现状,详细讨论了产电微生物的种类、电子传递机制、影响混菌MFC产电效能的主要因素,以及目前存在的问题等,并指出了混菌MFC的未来研究重点和方向。

金属及其化合物修饰微生物燃料电池阳极的研究进展

微生物燃料电池是一种利用微生物将生物质转化为电能的装置.阳极是微生物燃料电池的重要组成部分,通过对阳极的修饰可有效提升微生物燃料电池的产电效率.本文在简要介绍微生物燃料电池工作原理的基础上,详细归纳了不同金属及其化合物修饰阳极时微生物燃料电池的产电性能,分析了其促进产电的原因,并对未来的发展趋势进行了展望.

微生物燃料电池耦合连续搅拌反应系统(CSTR)低温下处理“糖蜜-电镀”废水

为提高传统微生物燃料电池(MFC)在低温条件下的效率,实现实验装置放大化.本实验将连续搅拌反应系统(CSTR)与双极室微生物燃料电池系统相结合,连续流处理糖蜜废水,并间接回收金属单质,处理模拟电镀废水,考察系统的产电性能和废水处理效果.结果表明,当系统稳定运行后,最高电压及功率密度分别可达到340 m V和58.65 m W·m-2.20 d后,系统COD去除率明显增加,最高COD去除率可达到81%.实验运行10 d后,银离子开始析出,最高去除率可达到90%左右.

基于铁还原菌的微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是未来理想的发电装置,而铁还原菌是目前MFC研究中重要的产电微生物.自然界中并无微生物产电的直接进化压力,而MFC电极与自然界中Fe(III)氧化物同为难溶性胞外电子受体,研究表明,铁还原菌对二者的还原有相似机制.基于铁还原菌的MFC具有无需外加介体,可利用多种有机电子供体作为燃料,能量转化率高等优点.本文分析了铁还原菌还原电极和还原Fe(III)氧化物机制的相似性,对近年来基于各种铁还原菌的MFC研究进展进行分述和总结,提出了铁还原菌MFC的发展趋势和研究方向.

微生物燃料电池对去除稻田硫离子的影响

在模拟水稻田中构建微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)并设置对照组,研究MFCs运行对水稻田的水和土壤中S2-浓度、pH、ORP(Oxidation-reduction potential,氧化还原电位)以及水稻生长情况的影响。结果表明,水稻种植期间,稻田MFCs的水和土壤(深2.5mm和5.0mm)中S2-浓度分别为(4.70±1.51)mg·L-1、(6.97±1.36)mg·L-1和(8.33±1.76)mg·L-1,在对照组相应各层中S2-浓度为(7.77±1.99)mg·L-1、(12.9±3.06)mg·L-1和(16.5±4.63)mg·L-1。稻田MFCs的水和土壤(深2.5mm和5.0mm)中的ORP值分别为(106±7.7)mV、(-142±30)mV和(-209±9)mV,在对照组相应各层中的ORP分别为(119±11.5)mV、(-209±9)mV和(-386±2)mV。稻田MFCs和对照组中水稻干重分别为(0.548±0.005)g和(0.442±0.003)g。在水稻田中构建MFCs可以降低水和各土壤层中S2-浓度,增高各土壤层中ORP值,且能明显促进水稻的生长。

微生物燃料电池中高效产电菌解析

以厌氧处理的淀粉工艺废水出水为基质,成功地实现了无介体MFC连续产电,同时系统中COD去除率达到70%,电池的输出电压为475mV。采用构建16S rRNA基因文库、随机测序的方法,分别对开放和闭合电路的阳极表面的微生物群落结构进行研究。结果表明:系统中出现的已知高效产电细菌只占6%(分别为地杆菌Geobacter和梭菌Clostridium)。通过对开放和闭合电路的阳极表面的微生物群落结比对,提出几类可能存在的高效产电相关细菌Alcaligenes monasteriensis,Comamonas denitrificans,Dechloromonas sp.,为高效产电细菌的研究提供了新的研究思路和理论依据。

准分布式光纤Bragg光栅传感器在微生物燃料电池温度场测量中的应用

微生物燃料电池(MFC)在近些年得到了迅猛了发展,尤其是MFC具有产电且同时处理废水的效果,引起了世界各国科学家的高度关注。如何提高MFC产电效率的问题一直是MFC的研究重点,其中温度是影响微生物活性的一个重要因素,进而影响MFC的产电效率。为了能够更好地了解温度场与MFC的产电效率的关系,本文采用准分布式光纤Bragg光栅(FBG)阵列,对MFC阳极室内温度场分布进行实时测量。实验表明:该方法能够测量MFC运行阶段阳极室内温度场分布,反应前后温度差3-4℃,该方法为研究MFC内温度与产电效率的关系提供一种新的手段。

微生物燃料电池的研究进展

微生物燃料电池(MFC)作为一种新型生物发电技术,目前已得到研究者们的广泛关注。通过文献的数据挖掘,对不同微生物燃料电池运行的机理、产电微生物、底物、电极材料、质子交换膜、反应器设计等方面进行分析,综述了MFC最新研究进展,并对其发展前景进行了展望。

微生物燃料电池数学模型的建立与仿真分析

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是燃料电池中特殊的一类,它能在微生物的作用下将化学能转化为电能,实现污水处理和产电的双重效果。目前对于MFC的研究多处于实验阶段,由于MFC内部极其复杂,从实验角度准确研究其内部各种现象以及分析运行参数对MFC的影响具有相当大的难度。文章通过集成的生化反应,在Bultler-Volmer表达式以及质量/电荷平衡的基础上,在MATLAB仿真平台下建立了双室MFC系统的数学模型并对其进行仿真分析,具有极大的理论指导意义。

微生物燃料电池技术发展及其应用前景

微生物燃料电池可以借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸,糖类等)的化学能转化为电能.某些类型的细菌具有将电子传递到细胞外并与外界电子受体接合的能力,可以用于构建微生物燃料电池.微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景.

不同阴极液对微生物脱盐燃料电池性能的研究

此次试验是利用双室型微生物燃料电池(MFC)处理电镀废水并且产生电能,同时对阴极液(电镀废水)中不同的重金属离子对产电效果的影响进行研究。构建的双室型微生物燃料电池(MFC)采用红糖作为底物,对活性污泥进行培养以及驯化。作为阴极液使用的电镀废水是分别含有相同浓度的锌离子,铜离子,银离子的溶液。经过几个周期的实验得出的数据分析得出结论,电镀废水可以作为双室型微生物燃料电池(MFC)的底物,并且产电效果有很大差异。在不同阴极液存在时双室型微生物燃料电池(MFC)产生电能的效果排序为银离子>铜离子>锌离子。其中锌离子作阴极溶液功率密度仅仅只有2.010^-6mW/m^2而铜离子溶液为阴极液的时候,则可以获得相对大一些的功率密度为14.0mW/m^2。在这三种分别含有等浓度的不同重金属离子的溶液中利用含有银离子的溶液作为双室型MFC的阴极液的时候,电池的产电效果最好。在电流密度为82.9mA/m^2时,其获得的最大功率密度为23.2mW/m^2,并且COD去除率以及重金属的去除率都是远远地高于含有锌离子的溶液和含有铜离子的溶液作为双室型微生物燃料电池(MFC)的阴极液。通过这次实验能够表明,可以通过利用双室型微生物燃料电池(MFC)对含有大量的重金属以及有机物的电镀废水进行处理,同时产生电能,实现经济和环境双效益。

石墨烯掺杂生物阳极微生物燃料电池的产电性能

本文通过真空过滤含有石墨烯的产电菌悬液直接在不锈钢网(SSM)表面形成石墨烯掺杂生物阳极,并运行单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)考察其对体系运行性能的影响.实验结果表明,向生物膜中掺杂石墨烯可有效缩短MFC的启动时间,降低阳极的内阻,提高阳极生物膜内的电子传递效率.与纯生物膜阳极体系相比,随着掺杂量的增加,石墨烯掺杂生物阳极MFC体系的阳极电荷转移电阻(Rct)依次降低,由29.3Ω降低到18.1Ω,体系的库伦效率(CE)由50.03%增大到73.97%,体系的最大功率密度(Pmax)由纯生物膜阳极体系的118 m W·m^(-2)增大到588 m W·m^(-2).

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一种新型的环境治理和能源技术,目前已得到研究者们的广泛关注。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能转化成电能的装置,产电微生物作为生物催化剂,对微生物燃料电池的发展至关重要。不同种类的产电微生物,其电子转移机制与能力有所差异,直接影响MFC的产电性能,从而决定MFC在工程实践中的性能与应用。任何含有大量微生物的废水、污泥、沉积物都可以作为产电微生物的筛选来源,尝试从不同环境条件下分离筛选高效产电微生物有望促进MFC的进一步完善,从而加速其在环境中的应用。通过对微生物燃料电池的发展、产电微生物种类及其电子传递机制等进行总结分析,综述了MFC中产电微生物的最新研究进展,包括产电微生物的筛选方法、种类以及技术研究等,最后展望了今后在产电微生物方面的主要研究方向及MFC的发展前景,以期为产电微生物的的筛选和应用奠定相应的理论基础及提供思路。

FeS_(2)强化微生物燃料电池阳极反硝化脱氮与产电特性

针对不同碳氮比(C/N)的含氮废水,将FeS_(2)引入微生物燃料电池(MFC)阳极构建FeS_(2)强化的微生物燃料电池(PyrMFC)体系,以不加FeS_(2)的空白对照组(C-MFC)为对照,探究其对体系脱氮与产电的影响;采用高通量测序、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜探究该体系中微生物丰度、硫和铁元素变化规律,解析FeS_(2)强化体系低C/N下的脱氮机理。结果表明:1)Pyr-MFC的反硝化脱氮效率和产电功率密度均高于C-MFC,硝态氮去除率提高近15.7%,最高电压提高量可达0.274 V。2)C/N分别为4、3、2和1时Pyr-MFC对NO3-N的去除率为100%、97.8%、58.4%和49.7%,均高于C-MFC,表明FeS_(2)有效降低体系对碳源的依赖。3)微生物群落检测结果表明,FeS_(2)将产电微生物(Thauera、Thiobacillus和Geobacter)的物种丰度提高9.43%。4)物质转移分析结果表明,S-为反硝化过程提供电子,Fe^(2+)作为电子穿梭体强化了电子传递,提高了体系的产电性能。

单室型无质子交换膜微生物燃料电池产电及去污初探

微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）技术具有反应条件温和、底物广泛、清洁高效和能量输出等显著优点,被认为是最有潜力的污水处理技术[1]。利用MFCs的原理和技术,构建无质子交换膜MFCs,耦合阳极氧化和阴极还原,同时进行废水中还原性和氧化性污染物的深度处理是值得深入研究的科学问题。