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。

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。

人工湿地-微生物燃料电池处理废水的研究进展

介绍了人工湿地-微生物燃料电池系统的脱氮原理、净化多类废水(含铬废水、含酚废水、高盐度废水、抗生素废水及含氮废水等)的效能,总结利用人工湿地-微生物燃料电池的方法处理这几种废水的研究现状,并分析了影响人工湿地-微生物燃料电池处理效率的因素(水力停留时间、湿地植物与微生物、电极和温度等),最后分析其产电特征以期为人工湿地-微生物燃料电池系统在处理废水的应用中提供参考。

水生植物-沉积物微生物燃料电池研究进展

水生植物-沉积物微生物燃料电池是将水生植物引入沉积物环境体系中,利用水生植物光合作用、呼吸作用及微生物新陈代谢作用,将有机污染物中蕴含的化学能转化成电能的装置,能够实现“污水净化”和“能量回收”的双重作用,具有显著的经济效益和环境效益。详细介绍了水生植物-沉积物微生物燃料电池的产电原理,阐述了电极、外电阻、微生物、电子中介体、水生植物等电池内部结构及温度、溶解氧浓度、沉积物中有机物等电池外部环境对其产电和去污的影响,同时对水生植物-沉积物微生物燃料电池面临的挑战、发展趋势进行了展望,以期为该技术的实际应用提供理论参考。

蒽醌-2，6-二磺酸钠掺杂聚吡咯修饰阴极对沉积型微生物燃料电池产电性能的影响

采用化学原位聚合法制备了蒽醌-2,6-二磺酸钠(anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt,AQDS)掺杂的聚吡咯(polypyrrole,PPy)修饰阴极.电化学交流阻抗谱(EIS)和塔菲尔(Tafel)测试发现,与空白阴极和PPy修饰阴极相比,PPy-AQDS修饰阴极的内阻更低,电极反应速率更高.在校园浅水湖中以空白阴极,PPy修饰阴极和PPy-AQDS修饰阴极运行沉积型微生物燃料电池(sediment microbial fuel cell,SMFC)30 d.实验结果表明,PPy-AQDS修饰阴极可以提高SMFC体系的产电能力并提高沉积物中有机质的去除效率.与空白阴极SMFC体系相比,PPy-AQDS修饰阴极SMFC体系的最大功率密度增大了3.7倍,阳极表面沉积物中烧失量(loss on ignition,LOI)和易氧化有机质(readily oxidizable organic matter,ROOM)去除率分别由5.5%和5.5%增大到14.4%和31.9%.

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。

人工湿地-微生物燃料电池性能优化研究进展

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)在提高传统人工湿地污染物去除能力的同时,还具有绿色产电的优势。在介绍CW-MFC工作机理的基础上梳理了该技术自诞生以来在污水处理和发电性能优化方面的研究历程。着重论述了系统的构造因子(电极材料及配置、分隔层、基质、植物、微生物)和运行条件(污水性质、有机负荷、水力停留时间、溶解氧、温度)的选择,指出该系统需要提高其氧化还原梯度,营造适合产电微生物扩繁的环境。在污染物处理方面该系统表现出较大的潜力,但其处理机理及后续生态风险防控还需深入研究。在未来应用阶段,可通过电化学手段进一步提高污染物去除效果,同时,利用自产电开发监测水质状况的生物传感器有着巨大的发展前景。

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统构造条件优化

该文以菖蒲为湿地植物构建垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC),并将其应用于农药阿特拉津的降解,且基于响应面法优化系统构造条件。结果表明,响应模型可靠,拟合度较好,对阿特拉津去除率影响电极板占比>电极板间距>外接电阻。CW-MFC最优构造条件为电极板占比0.33、电极板间距20.89 cm、外接电阻987.1Ω。最优构造条件下CW-MFC的COD、TN、TP及阿特拉津去除率为93.8%、62.9%、96.3%和94.7%;电压、电流密度、功率密度及库伦效率为248.77 mV、0.08 mA/m^(2)、22.9 mW/m^(2)和0.243%。

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统对农药处理效能的研究

本文构建了人工湿地-微生物燃料电池耦合系统处理以阿特拉津为代表的农药,以了解该系统的农药处理效能及处理机理.结果显示,该系统对阿特拉津具有较好的处理性能.当阿特拉津浓度小于4mg/L时,系统的处理性能稳定保持在85%以上;当阿特拉津浓度为4mg/L时,系统产电性能最优,此时,系统输出平均日电压,最大功率密度及电流密度分别为284.4mV、19.64mW/m^(3)及46.09mA/m^(3).农药对系统微生物多样性的影响显著,而对微生物基因功能的影响不显著,对系统菌属的影响小于电场.系统优势菌门有变形菌门,优势电化学活性菌门有拟杆菌门和厚壁菌门;而降解农药优势菌门有放线菌门,优势菌纲有Alphaproteobacteria与Actinobacteria,优势菌属有Christensenellaceae_R-7_group.

聚3,4-乙烯二氧噻吩在海洋微生物燃料电池阳极改性中的应用

采用聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)修饰石墨阳极,采用恒电位仪、扫描电子显微镜、能谱仪对其进行表征,并探讨其在U型微生物燃料电池(MFC)中影响海洋产电菌Shewanella sp.S2产电的机制.结果表明:电化学法合成的PEDOT呈片状覆盖在石墨表面,并带有一些颗粒状凸起(直径约200nm).PEDOT修饰后,MFC表观内阻从471Ω下降到390Ω;稳定期的电流密度(173.6mA/m^2)是未修饰MFC(74.4mA/m^2)的2.33倍.扫描电镜结果显示,PEDOT修饰显著提高了产电菌在阳极表面的吸附量.由于电极表面的粗糙度远小于细菌尺寸,推测MFC产电能力的提高主要是由于PEDOT与产电菌间的电荷相互作用而不是电极表面粗糙度.

植物对人工湿地-微生物燃料电池耦合系统去污及产电性能的影响

介绍了人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)的分类,湿地植物对去除污染物和产电性能的有利影响和不利影响,以及CW-MFC植物的选择,并提出了进一步研究的方向。

不同肥料条件对水稻-微生物燃料电池产电性能的影响

考察了添加化肥、有机肥、混合肥对水稻-微生物燃料电池产电性能的影响,以不添加肥料的水稻-微生物燃料电池、无植物的土壤微生物燃料电池作为对照,共6组,每组5个平行。研究结果表明,添加有机肥料的实验组产电性能显著高于不添加肥料的对照组,可以达到对照组的1.7倍,然后依次为混合肥料组、不加肥料的对照组,而化肥组的产电性能最差。同时对水稻的生长特征指标进行了测定,发现水稻在土壤肥料适当的情况下生长情况最好,额外加入有机肥并不能让水稻更好地生长,而额外加入化肥则会导致水稻贪青徒长、不成熟不结实等现象。

植物阴极-沉积型微生物燃料电池处理含铬废水

应用植物阴极-沉积型微生物燃料电池(PC-SMFC)系统处理含铬废水及沉积物,探究了阴极材料和植物对PC-SMFC系统去除污染物效果及产电性能的影响。结果表明,以不锈钢网为阴极集电装置、菖蒲为植物的PC-SMFC装置的处理效果最佳,当上覆水Cr^(6+)初始浓度为108.14mg/L、COD初始浓度为978 mg/L时,可获得的最大输出电压和输出功率密度分别为0.4990 V和14.87 mW/m^(2),对上覆水中COD、Cr^(6+)的去除率分别为93.66%和99.29%,对沉积物中有机质和Cr^(6+)的去除率分别为15.69%和79.11%,对总铬的固定率为65.33%。经PC-SMFC系统处理后,各装置沉积物中生物有效态铬向较为稳定的铁锰结合态和残渣态铬转化,即PC-SMFC对稳定沉积物中的铬具有促进意义。

SA-PQ-11/CF阳极提高MFC废水处理效果与发电性能

为提高微生物燃料电池(MFC)的废水处理效果和发电性能,制备了一种海藻酸钠(SA)-聚季铵盐-11(PQ-11)/碳毡(CF)阳极(SA-PQ-11/CF),分别以制药废水和糖蜜废水为阳极液,以CF为阴极,构建了MFC系统,采用SEM对阳极表面形貌进行了表征,通过循环伏安(CV)特性和电化学阻抗(EIS)特性、化学需氧量(COD)去除率对其性能进行了考察。结果表明,SA-PQ-11/CF阳极具有较大的比表面积,MFC的溶液电阻和电荷转移电阻得到明显降低。阳极液为制药废水时,采用SA-PQ-11/CF阳极的MFC的稳态输出电压和COD去除率分别约为0.22 V和62%,较常规CF阳极的MFC分别提高了100%和130%;阳极液为糖蜜废水时,采用SA-PQ-11/CF阳极的MFC的稳态输出电压和COD去除率分别为0.15 V和43%,分别较采用常规CF阳极的MFC提高了275%和95%。

正渗透微生物燃料电池处理污泥

采用正渗透-微生物燃料电池（OsMFC）浓缩消化剩余污泥,并将污泥化学能转化为清洁电能回收.结果表明：在外阻为470 Ω时,OsMFC输出电压为200～212mV,输出功率密度为218～244mW·m-3;由于正渗透（FO）膜浓缩作用,反应器运行结束时,污泥体积减少为原体积的41.3％,系统产水率为58.7％;在24 d运行过程中,阳极室内污泥总化学需氧量、混合液悬浮固体、混合液挥发性悬浮固体消解率分别为22.2％,32.8％和47.6％.

LDH改性电极强化CW-MFC耦合系统深度处理污水研究

构建了人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)耦合系统,探究了层状双氢氧化物(LDH)材料改性电极对CW-MFC系统运行性能及其微生物群落结构的影响。结果表明,LDH材料的结构及其中的Fe、Ni元素显著影响电极生物膜中的微生物群落结构及与脱碳除氮相关的功能微生物数量,聚苯胺(PANI)的添加增强了LDH的电导率,这些因素共同作用改善了系统的污染物去除性能和产电性能。其中,阴阳极均用FeNi-LDH/PANI改性的反应器的性能最好,其COD、NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N的去除率分别为95.68%、96.72%和95.32%,出水水质可达到地表水Ⅱ类标准;该系统稳定运行期间的平均输出电压为108.96 mV,最大功率密度可达到1.99 W/m^(3)。

人工湿地微生物燃料电池对典型PPCPs的去除研究

医药品和个人护理品(PPCPs)是一类生物蓄积性强且难降解的化学物质,并能够随着自然界的物质循环不断迁移和转化,侵入自然水体并对动物和人类健康造成潜在威胁。以布洛芬(IBP)和双氯芬酸(DCF)为典型的PPCPs,探究CW-MFC装置对PPCPs的去除效果,并以葡萄糖(Glu)、蔗糖(Suc)、醋酸钠(Sa)3种不同有机物作为碳源与PPCPs进行共代谢处理。结果表明:稳定运行的CWMFC装置对IBP和DCF的去除率分别为95.02%和86.41%。IBP的添加对污水处理效能没有明显影响,而DCF对系统的净化效果起到了一定阻碍作用。共基质种类的不同对IBP和DCF的去除有影响,Sa和Suc由于其被微生物利用的难易程度的不同,对PPCPs和COD的去除都有不利的影响,以Glu作为碳源时,污染物的去除效果最佳。

基于金属-氮-碳结构催化剂的质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接将储存在氢中的化学能无污染地转化为电能,是实现碳减排和碳中和的关键新能源技术。目前的PEMFC技术,尤其是在发生氧还原反应的阴极,还严重依赖铂基贵金属催化剂,导致了燃料电池高昂的成本,限制了其大规模应用。因此,人们对于研究基于低成本非贵金属催化剂的PEMFC展现出了极大的兴趣。自从采用金属-氮-碳结构催化剂作为贵金属催化剂的替代品以来,非铂基PEMFC取得了很多突破,但是当前其在活性和稳定性的表现仍不能令人满意。本文总结了基于金属-氮-碳催化剂的PEMFC性能与活性位点、催化剂结构和催化层结构之间的关系,揭示了催化剂结构对于PEMFC中物质传输的重要作用。另外,为了满足实际需求,本文也总结并讨论了PEMFC可能的失活机理,包括脱金属作用,氮物种的质子化,碳载体腐蚀和孔道水淹等,以及目前发展的可能的解决方案。基于这些认识,本文最后介绍了在提升金属-氮-碳基PEMFC的活性和稳定性方面的最新进展与策略。

微生物燃料电池应用前景展望

介绍了微生物燃料电池及其发电机理,阐述了对其性能产生影响的诸多因素,描绘了其当前的应用领域,重点对其应用前景进行了展望。考虑到微生物燃料电池技术在环保节能领域的独特优势,随着科技的进步,它势必将在不远的将来获得长足的进步和广泛的应用。

基于SiC和Si器件的燃料电池汽车DC-DC变换器的性能

为实现燃料电池汽车输出电压、功率的调节与控制,采用了一种交错式双Boost电路的大功率直流-直流(DC-DC)变换器,其中应用了Si和SiC功率器件。基于电路损耗计算和效率仿真手段,对比分析了全SiC[金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、SiC二极管]、SiC MOSFET和Si二极管的混合器件和全硅Si[绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件、Si二极管]的变换器在电路损耗。结果表明:Si IGBT的开通和关断损耗约是SiC MOSFET的3倍和10倍,在不同工况下,全SiC变换器的转换效率比全Si变换器高1%~3.1%。因而,SiC功率器件在大功率DC-DC变换器的应用中,能够提高功率密度、可靠性和动力系统工作效率。