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。

氮掺杂多孔碳材料阳极制备及其在微生物燃料电池上的应用

微生物燃料电池(MFCs)作为一种可以替代传统能源的生物电化学系统引起研究者的极大兴趣,其阳极材料的构造是目前的研究热点.本文从改善阳极材料表面物理化学性质的角度出发,用吐司作为多孔碳前驱体,三聚氰胺为氮源,直接烧制氮掺杂三维碳材料,并与不添加氮源的阳极材料和未改性的商用碳布进行比较.制备的掺氮NB1000阳极具有较大的比表面积(216.664 m^(2)·g^(-1))和优良的电导率.利用Geobacter和Shewanella混合菌落在微生物燃料电池(MFCs)中进行培养和性能评价,NB1000阳极的微生物燃料电池最大面功率密度为3049.714 mW·m^(-2),电流密度为7.4464 A·m^(-2),分别是普通碳布阳极的6.54倍和1.54倍.结果表明,NB1000作阳极的MFCs具有较高的功率密度,主要归因于阳极中引入氮掺杂,促进了产电微生物胞外电子传递过程所需的外膜c型细胞色素OmcA和MtrC的分泌.

微生物燃料电池处理畜禽养殖废水研究进展及展望

随着畜禽养殖业向规模化、集约化方向发展,畜禽养殖过程中产生的大量废水成为畜禽养殖场周围环境污染的重要因素。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种电化学微生物技术,能够在去除废水中有机物的同时产生电能,在处理高浓度畜禽养殖废水方面具有广阔的发展和应用前景。本文介绍了MFC的分类,并从污染物(化学需氧量、氨氮、总磷和抗生素)去除和产电性能两个方面分析MFC在畜禽养殖废水处理领域的研究现状,并拓展性地阐述了新型耦合MFC技术处理畜禽养殖废水的应用前景,最后指出MFC处理畜禽养殖废水存在的问题,并提出未来可行的发展方向,包括放大装置尺寸、开发新型耦合MFC技术、研究参数的交互作用、深入发掘污染物去除机理和电子传递机制。

微生物燃料电池在废水处理中的研究概况

总结了微生物燃料电池(MFC)性能的影响因素(阳极材料、阴极材料、电极间距以及pH),探究了近年来MFC在生活污水、农业废水、工业废水处理方面的应用研究以及产电性能,探求了当前MFC的不足,并对MFC未来的发展方向进行了展望。

人工湿地-微生物燃料电池中电极研究进展

【目的】近年来,人工湿地(CW)与微生物燃料电池(MFC)相耦合,形成了一种新型的生物电化学系统——人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC),具有出色的污染物降解和生物发电性能。本文旨在总结电极的特性和应用,介绍不同电极材料对系统的影响,最后对其未来的研究方向提出展望。【方法】结合国内外最新的研究成果。【结果】总结了电极的功能特性和应用,介绍了不同电极材料在废水处理过程中的性能差异以及对发电效率的影响,并对其未来的研究方向提出了展望,为CW-MFC的技术发展作进一步参考。【结论】CW-MFC是一种具有广泛应用前景的生物电化学系统。未来研究方向包括优化电极材料、提高系统运行效率、降低成本等方面。同时,还需要加强在实际应用中的研究,以推动该技术在环境保护和能源领域的应用。

复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统产电性能和水质净化

人工湿地(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)是两种具有潜力的环境技术,用于水污染治理和可再生能源生产。目前大部分研究主要针对上流式人工湿地-微生物燃料电池进行探索,很难用到实际的人工湿地上。主要以垂直流人工湿地为研究对象,研究复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的产电性能和水质净化作用。结果表明,在相同的垂直流CW-MFC系统中,产电性能和水体污染物的含量有一定的关系;在模拟自然的水流情况下,CW-MFC1阳极生物氧化产生的质子和电子迁移至CW-MFC2的阴极也能同其电子受体发生氧化还原反应,从而产生电压电流,且其电压高于单一垂直流CW-MFC系统;模拟自然情况下的CW-MFC系统对各项水质指标的去除都有不错的去除效果,其中磷酸盐和总磷的去除率为97.5%和97.9%,氨氮和总氮的去除率为86.4%和66%,COD去除率最低为36.5%,表明复合垂直流CW-MFC系统对水体污染物的去除起明显的效果。

微生物燃料电池的碳阳极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是具有处理污水和产电双重功能的生物电化学装置,阳极作为微生物生长及收集电子的重要部件,对MFC的性能具有重要影响。针对MFC碳阳极材料的研究进展进行了综述,从传统碳阳极材料、纳米材料修饰碳阳极、元素掺杂碳阳极、表面处理碳阳极、生物炭阳极等方面对碳阳极材料的研究进行了综合介绍和展望,尝试为开发高性能MFC碳基阳极和MFC技术提供参考。

微生物脱盐燃料电池高效除盐研究进展

微生物脱盐燃料电池(MDC)是一种新兴的绿色可持续循环能源技术,利用微生物胞外呼吸作用同步驱动除盐、产电及降解有机污染物。首先,概括了传统能源密集型除盐技术(热浓缩法和膜法)的能耗及局限性;然后,介绍了MDC运行机制、耦合系统及可持续发展影响因素;重点阐述了多种MDC耦合工艺协同高效处理废水的研究进展及其可持续发展面临的挑战;最后,展望了MDC在高效、可持续和低碳废水处理、盐水淡化和能源/资源回收方面的研究前景。

高效单原子催化剂Ce&Co/CN改性微生物燃料电池阴极用于实际废水处理

采用煅烧法由尿素、金属盐制备出双金属掺杂Ce&Co/g-C_(3)N_(4)单原子催化剂。用PVDF粘结到铜片载体上形成电极,以此电极构建耦合生物产电和电催化的微生物燃料电池及二级串联连续处理含盐有机胺废水的体系。结果表明,在此微生物燃料电池体系中(阴极光照、单级水力停留时间8 h),经两级反应器处理后,COD总去除率为95.1%,TN总去除率为85.8%。计算得出催化剂COD去除能力是53.46 kg/(kg·d)。

基于萤火虫优化模糊P&O的微生物燃料电池最大功率点跟踪

针对微生物燃料电池产电量低、输出不稳定等问题,提出一种混合萤火虫优化和模糊改进扰动观测的最大功率点跟踪算法,利用双种群萤火虫算法的全局优化能力和模糊控制的逻辑推理能力产生更精确的控制信号,通过Boost变换器对等效负载进行动态调节。结果表明:基于双种群萤火虫优化-模糊扰动观测的最大功率点跟踪算法能以更快的速度追踪到并稳定在最大功率点,降低了稳态误差,抑制了功率振荡,提高了抗干扰能力,显著改善了微生物燃料电池的产电能力和供电质量。

基于模糊变步长算法的微生物燃料电池最大功率跟踪控制

针对微生物燃料电池输出效率低的问题,提出一种变步长算法和模糊控制相结合的最大功率跟踪算法。根据满足最大功率的条件,将Boost变换器和微生物燃料电池构成完整系统,通过调节占空比从而实现最大功率跟踪,同时引入扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)组成最大功率跟踪控制器。常规算法受到步长的影响跟踪效果较差,在此基础上通过改进固定步长为变步长,有效提高了算法的动态性能和稳定性。针对算法产生振荡造成的能量损失,将算法和模糊控制结合在一起构成完整的跟踪系统,有效提高了算法的稳定性,减少了能量损失。仿真结果表明:改进的模糊变步长算法较3种常规算法具有更快的收敛速度、更小的波动幅度和跟踪误差。

微生物燃料电池降解不同浓度丙酸特性

在有机废弃物的厌氧处理过程中,挥发性脂肪酸(VFA)的累积会导致系统p H降低,进而影响该过程的进行甚至失败。作为一项绿色可持续的发展技术,微生物燃料电池(MicrobialFuel Cells,MFC)既能够降解有机物,又可以产生清洁电能,是近年来的研究热点。

产电微生物对SMFC产电及降解性能的影响

目的在以含油污泥为阳极底泥的沉积型微生物燃料电池(SMFC)体系中,通过改变产电微生物种类和分布方式,探究产电微生物对SMFC产电及降解性能的影响。方法通过采集输出电压、功率密度、表观内阻来检测石油去除率,比较了不同单菌-SMFC、不同混合菌-SMFC的产电性能和降解性能,考查了菌种分布对SMFC性能的影响。结果在单菌-SMFC中,弗氏柠檬酸杆菌-SMFC的产电及降解性能均优于其他5种单菌构筑的SMFC;混合菌-SMFC的产电及降解性能较单菌-SMFC有较大提升,且其中蜡样芽孢杆菌+中间苍白杆菌-SMFC的产电及降解性能最优,输出电压可达到515.30 mV;菌种分布在阳极材料中和阳极底泥中都可以降解含油污泥中的有机物,但是菌种分布在阳极材料中更有利于SMFC产电性能及降解性能的发挥。结论混合菌相对于单菌能够显著提升SMFC的产电及降解性能,而且菌种分布在阳极材料中更有益于SMFC产电性能及降解性能的发挥。

CeO2-β-CD改性阳极微生物燃料电池处理抗生素废水的性能研究

为了提高微生物燃料电池的性能,提出采用纳米级氧化铈(CeO_(2))和β-环糊精(β-CD)进行阳极改性的方法。采用溶液浸泡法制备CeO_(2)-β-CD改性碳毡阳极,以制药废水为阳极液,以驯化污泥为微生物菌种,对比分析3种不同阳极对双室微生物燃料电池性能的影响。结果表明,采用CeO_(2)-β-CD改性阳极的微生物燃料电池的稳态电流密度、最大功率密度、150 h的发电能量及对制药废水的化学需氧量(COD)去除率分别约为0.22 A·m^(-2)、0.073 W·m^(-2)、86.26 J和68%,较采用未改性碳毡阳极的微生物燃料电池分别提高了266.7%、114%、522.4%和94%。CeO_(2)-β-CD改性阳极显著提高了微生物燃料电池的产电能力和废水处理效果。

微生物燃料电池堆栈的设计开发与应用进展

微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能,并驱动和强化有机污染物降解,是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案.目前,微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题,成为限制其性能和规模化应用的核心瓶颈,因此需要对微生物燃料电池进行规模化放大.然而,单纯地增加单体微生物燃料电池的体积,将增加电池内阻,导致能量损失加大,限制微生物燃料电池输出功率进一步提高,不适合工程化应用.微生物燃料电池堆栈是在保持单体微生物燃料电池性能的基础上,通过将多个单体微生物燃料电池进行串并联连接,从而有效提高微生物燃料电池的输出电压、电流以及功率,是实现微生物燃料电池规模化放大的主要手段,已经广泛应用于复杂环境中低劣生物质发电、废水处理以及化学品合成等领域.本文基于微生物燃料电池堆栈的工作原理,从产电微生物、电极材料、电池结构以及电池传质等多个方面系统分析了影响微生物燃料电池堆栈性能的关键因素,总结了微生物燃料电池堆栈结构和电路管理系统的设计原理与工程技术,分析了微生物燃料电池堆栈的重点应用领域,并针对其未来的研究方向进行了展望,以促进微生物燃料电池堆栈的工业化应用.

正渗透微生物燃料电池反向溶质通量和膜污染控制技术研究进展

正渗透微生物燃料电池(OsMFC)采用正渗透(FO)膜代替传统微生物燃料电池(MFC)中的质子交换膜,可以在回收生物电的同时借助FO膜对原料液即阳极污水进行处理并提取高质量水,该技术受到广泛关注。与传统MFC相比,OsMFC在产电性能和出水水质方面均有提升。但是,FO膜的引入使得OsMFC系统反向溶质扩散和膜污染等问题十分突出,进而导致FO膜的水通量降低,OsMFC的产电和产水性能下降,限制了OsMFC的发展和应用。随着近年来材料和生物等领域的不断发展,上述问题可以通过合理的技术手段解决。从优化OsMFC性能出发,重点从反向溶质通量(RSF)控制和膜污染控制2个方面对近几年的研究进行分析和总结,主要包括通过膜材料的选择、汲取液的选择和OsMFC系统内产电对RSF进行抑制,以及通过膜污染形成机制、膜污染的技术调控、膜污染清洗、膜材料的改性和阳极微生物的筛选与培养对膜污染进行控制,并对未来OsMFC的RSF和膜污染的控制技术进行了展望。

PVA/OPD改性膜对微生物燃料电池性能的影响

为提高微生物燃料电池(MFC)的性能,以聚乙烯醇(PVA)为黏合剂,分别以磷钨酸(PWA)和邻苯二胺(OPD)为改性剂,采用溶液浸渍法制备了PVA/PWA和PVA/OPD改性膜并搭载于MFC系统,以SEM、电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法(CV)、吸水率表征了膜的性能,并考察膜改性对MFC产电量和化学需氧量(COD)去除率的影响。结果显示,PVA/PWA和PVA/OPD改性膜均能在一定程度上提升MFC性能,但PVA/OPD改性膜效果更佳。PVA/OPD改性膜的吸水率为14.49%,较常规Nafion 117膜(NF)提高了126.05%。采用PVA/OPD改性膜的MFC在测试周期内的产电量为101.75 J,较采用NF时提高了587.50%;对阿莫西林制药废水的COD去除率为66.2%,较采用NF时提高了48.4%。基于PVA/OPD的膜改性方法对提高MFC的产电性能和废水处理效果有显著作用。

石油污染土壤处理新技术——植物型微生物燃料电池的适用性

石油在炼制、储运和使用过程中对土壤造成污染,处理难度高。针对这一问题,以受石油污染的土壤为阳极底泥,构筑植物型微生物燃料电池(PMFC)。通过检测输出电压、功率密度、表观内阻和石油去除率,对电池植物和电极材料进行优选,并用优化后的PMFC探究其适用性和石油含量的范围。结果表明,绿萝在PMFC的厌氧环境中不能成活,而白鹤芋-PMFC的产电性能和降解性能均优于香菇草-PMFC;碳毡-PMFC的产电性能和降解性能较碳海绵-PMFC有明显的提升。以白鹤芋为电池植物、碳毡为电极材料的PMFC适用于石油含量为1~15 g/kg的污染土壤,并且随着石油含量的增加,PMFC的产电性能和降解性能均呈现出先升高后降低的趋势,最佳石油含量适用范围为5~10 g/kg。PMFC技术为石油污染土壤处理提供了一种新的思路,能在有效处理土壤污染问题的同时发电,实现双赢。

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。

微生物燃料电池中有机废气净化强化研究进展

挥发性有机化合物(VOCs)是臭氧、二次有机气溶胶生成潜势较高的气态污染物,这类污染物的有效控制是大气复合型污染防治的关键。微生物燃料电池(MFC)技术净化VOCs不仅具有传统生物法绿色、安全、碳排放量低的特点,还能够将污染物中化学能回收为电能,近年来受到广泛关注。结合MFC净化VOCs基本原理,概述了MFC中相际传质、降解反应过程强化的研究思路及进展,介绍了空气电极、光催化技术在新型MFC中的应用。另外,针对产电功率密度及库仑效率受限的瓶颈,对MFC净化VOCs的研究进行了展望,提出改善“微生物-电极”界面电子传递、调控降解菌及产电菌协作关系等重要研究方向。