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。

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。

藻炭改性电极强化微生物燃料电池产电及去除硝基苯性能

开发利于微生物富集和优异导电性能的电极是提高微生物燃料电池(MFC)性能的关键。通过碱活化和酸活化方式制备螺旋藻生物炭(简称藻炭)并将其修饰于阳极炭毡(CF),以硝基苯为难降解污染物代表,通过检测电极电化学性能和污染物降解过程,探究基于藻碳MFC产电及转化污染物的性能。结果表明:在700℃-NaOH改性藻炭修饰炭毡的电极体系(NaOH-AC700/CF),MFC电压最高可达670 mV,比CF体系高26%,且驯化时间由7 d缩短至2 d。修饰电极体系产电的同时高效降解污染物,阴极对硝基苯的去除率最高可达99.9%;相比于CF体系,NaOH-AC700/CF体系的降解效率提高了22.1%,苯胺生成率提高了123.3%。微生物种类分析结果表明,电极表面的产电菌主要为弧形杆菌属(Arcobacter)和铜绿假单胞菌属(Pseudomonas),且在NaOH-AC700/CF阳极表面产电菌丰度最高,因而利于MFC产电以及硝基苯的还原。

微生物燃料电池技术在环境修复中的研究进展

简述了微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)在环境监测、污水处理、底泥修复、生物浸提等生态环境修复中的最新研究进展,并对其现有问题及发展前景作了分析和讨论,以期为后续MFC技术的持续改进及其应用范围的扩展提供理论依据.

rGO/Ag复合修饰电极的微生物燃料电池对五氟磺草胺的降解效果

为研究微生物电池在浓药降解方面的应用,以纳米银(rGO/Ag)复合修饰/石墨毡(graphite felt,GF)电极作为阳极,研究双室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的产电性能及其对五氟磺草胺降解的影响。结果表明:以Desulfovibriode sulfuricans为产电菌,初始五氟磺草胺质量浓度为10mg/L时,经rGO/Ag复合修饰MFC的GF阳极后,MFC的产电性能及对五氟磺草胺的降解作用皆有所提高,其中,分别以GF电极和rGO/Ag/GF复合电极为阳极时,MFC的双电层电容量分别为1.46×10^(-3)和3.85×10^(-3)mF,电子转移阻抗分别为114和61Ω,五氟磺草胺降解率分别为53.6%和67.3%。改变初始五氟磺草胺浓度和酸碱度可以影响MFC产电性能和五氟磺草胺降解作用,初始五氟磺草胺浓度为5 mg/L时,MFC的最大功率密度和五氟磺草胺的降解率分别为136.8 mW/m^(2)和70.5%,但随着初始五氟磺草胺浓度增加,其产电性能和降解作用会受到一定程度的抑制。初始酸碱度为弱碱性和中性条件时,MFC的产电性能及降解作用较高,其功率密度和降解率分别145.5 mW/m^(2)和71.4%,研究表明,MFC可以利用五氟磺草胺作为燃料,在降解的过程中同时产生电能。研究结果可为实现五氟磺草胺高效降解的同时提高MFC产电性能提供理论依据。

基于文献计量的有机废水微生物燃料电池处理研究进展解析

有机废水的微生物燃料电池(MFC)处理与能量回收对于实现污染减排和节能具有重要意义.对2008—2021年该领域的文献进行了计量分析,从基础数据分析和热点主题词两个层面出发,探讨了该领域的研究动态.结果表明:2008—2021年共发表486篇文章,中国是发文量最高的国家,但篇均被引次数相对较低;按照主题词的演变可将该领域研究分为可行性研究、性能提升和应用转化阶段;目前该领域亟待解决的问题包括功率输出低、投入成本高、系统稳定性低等.研究结果为该领域的研究人员了解国际进展情况、把握未来研究的突破点、推动有机废水的高效处理与能源化利用提供了科学参考.

微生物燃料电池在含酚废水处理中的应用

近年来,工业化的快速发展所带来的环境问题受到了广泛的关注.含酚废水作为造纸、制药、石油化工等工业生产的主要有机污染物废水,具有毒性大和生化降解难的特点,亟须开发一些能够对其进行高效降解的废水处理工艺.文章着重介绍了微生物燃料电池(MFC)的技术原理、处理含酚废水中的应用及影响其性能的几个因素,并指出了未来MFC技术的研究方向.

微生物燃料电池还原重金属Cr(Ⅵ)的研究进展

六价铬[Cr(Ⅵ)]用途广泛,但是能严重污染水体和土壤,威胁生态安全和人类健康。寻找廉价高效的Cr(Ⅵ)处理技术一直被人类所关注。以电化学活性微生物为催化剂的微生物燃料电池(MFCs)在产电的同时能够还原Cr(Ⅵ),体现出极大的应用前景和优势。近年来通过优化电极材料和筛选新菌种等方式提高MFCs的Cr(Ⅵ)还原效率的研究居多,而运用分子生物学技术从机制出发优化电化学活性菌株的Cr(Ⅵ)还原性能,进而提升MFCs的Cr(Ⅵ)还原效率研究鲜有报道。此篇简单介绍了目前MFCs处理Cr(Ⅵ)的国内外研究进展,指出了运用分子生物学技术优化MFCs的Cr(Ⅵ)处理效率的前景,对未来利用MFCs处理废水中Cr(Ⅵ)的应用提供重要的参考。

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/cm^(2)。

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。

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。

双室微生物燃料电池对土壤中铅的去除研究

采用乙酸钠培养基从活性污泥中分离出一株产电细菌并对其进行鉴定,利用双室微生物燃料电池(MFCs)对土壤中的铅离子(Pb^(2+))进行去除,并对MFCs在运行过程中的产电性能进行了研究。结果表明:该产电菌属于苍白杆菌属,并命名为Ochrobactrum sp.CD-3(LC012001);在阴极室土壤中添加葡萄糖以及未添加葡萄糖的两种情况下,MFCs外电阻分别为1300Ω和1400Ω,产生的最大功率密度分别为91.95 W·m^(-2)和87.5 W·m^(-2)。MFCs对添加葡萄糖土壤(1号阴极室)中Pb^(2+)的迁移影响远大于未添加葡萄糖土壤(2号阴极室)中Pb^(2+)的迁移,在距离电极板0 cm处,1号阴极室土壤中的Pb^(2+)浓度(5.347 g/kg)远高于2号阴极室土壤中Pb^(2+)浓度(4.725 g/kg),相反,在距离阴极石墨板10 cm处的土壤中,1号阴极室土壤中Pb^(2+)浓度(1.891 g/kg)明显低于2号阴极室土壤中的Pb^(2+)浓度(2.857 g/kg)。

超滤膜为分隔膜的双室微生物燃料电池的产电特性

针对分隔膜对微生物燃料电池产电特性的影响问题,采用截留分子质量(MWCO)分别为4 ku、10 ku、30 ku和100 ku的4种不同超滤膜(UF)作为分隔膜材料进行了基础研究.通过SEM观察,各反应器阳极表面附着形态相同的产电微生物.阶段运行结果表明:4种UF膜中库伦效率最大为4.15%,功率密度最大为113.3mW/m3,内阻随截留分子质量的增大依次为UF(4 ku)211Ω,UF(10 ku)297Ω,UF(30 ku)157Ω,UF(100ku)241Ω;产电结束后各超滤膜MFC的阳极室出水COD均低于80 mg/L,对COD去除率均达到85%以上,出水pH几乎保持不变;采用聚醚砜材质的UF膜(30 ku)功率密度最大,内阻最小,产电性能最为优良.

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。

双室微生物燃料电池处理餐厨垃圾的性能研究

微生物燃料电池(MFC)作为一种生物电化学技术,可以将餐厨垃圾中的有机废物转化为电能。采用双室微生物燃料电池装置,以不同组分的餐厨垃圾作为阳极底物,分析对比了各反应器中有机物的去除效果和产电性能。以溶解性化学需氧量(SCOD)、总有机碳(TOC)和氨氮的去除率为参数,分析了MFC对不同组分餐厨垃圾的处理效果。并通过电压变化情况分析了不同有机组分对MFC产电特性的影响。结果表明:MFC对果皮类和蔬菜类SCOD的去除效果较好,去除率分别为86.46%和89.08%。然而对米面类和混合类的处理效果不佳。果皮类、蔬菜类和混合类的TOC去除率分别为83.87%、73.72%和34.63%,米面类TOC含量仍较高。MFC对各组分中氨氮的去除率均高于90%。MFC运行过程中最大输出电压的大小为混合类>果皮类>蔬菜类>米面类。混合类产生的最大面积电流密度和面积功率密度分别为1036 mA/m^2和623 m W/m^2。该研究为餐厨垃圾的处置与资源化提供了学术参考。

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).

微生物燃料电池产电研究及微生物多样性分析

以乙酸钠为阳极底物,碳毡材料为阴阳电极,构建了无介体双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究不同阴极受体、外接电阻、乙酸钠浓度和不同接种方式等因素对电池产电性能的影响.根据不同接种方式下微生物燃料电池产电性能差异,利用PCR-DGGE技术对不同接种方式下的微生物多样性进行分析.研究结果表明:在500mL的阴阳极反应体系中,当接入500Ω外电阻,阴极电子受体为高锰酸钾,阳极乙酸钠质量浓度为6.46g/L,只接入附着有大量微生物的电极时,微生物燃料电池产电性能最好,最大电功率密度可达353.57mW/m2,库伦效率为39.35%;微生物多样性分析显示,δ-变形菌纲、β-变形菌纲和拟杆菌门的菌种更适应微生物燃料电池的运行环境,能在电极上大量富集,提高电池的产电性能,是电极上的优势菌群.

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。