水生植物-沉积物微生物燃料电池修复黑臭水

水生植物-沉积物微生物燃料电池(aquatic plant sediment microbial fuel cell,AP-SMFC)是解决当前环境问题及能源短缺的最有发展前景的技术之一。以黑臭水体底泥为底质,构建了芦苇-沉积物微生物燃料电池(标记为APSM1)、美人蕉-沉积物微生物燃料电池(标记为APSM2)和无植物的沉积物微生物燃料电池(标记为SM)共3个实验系统,研究了3个系统沉积物微生物燃料电池的产电特性及对上覆水和底泥的修复效果。结果表明:APSM1,APSM2和SM启动期为8 d;3个实验系统启动结束后均能维持较稳定的产电,输出电压、电流密度和功率密度顺序为APSM1>APSM2>SM。APSM1和APSM2对上覆水化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、氨氮(ammonia nitrogen,NH+4-N)、总磷(total phosphorus,TP)的平均去除率分别为84.3%和81.6%,82.7%和79.3%,85.5%和83.4%,并且显著高于SM。APSM1,APSM2和SM对底泥中的有机质、NH+4-N和总氮(total nitrogen,TN)去除率分别高于80.5%,49.4%和49.2%,3个实验系统间没有显著差异。APSM1和APSM2对底泥中TP的平均去除率分别为72.6%和66.4%,显著高于SM(42.6%)。APSM1,APSM2和SM对底泥中As,Pb的去除率均高于79%,各系统之间没有显著差异;对底泥中Zn,Cr和Cu的去除率均高于80%,显著高于SM(<61%)。芦苇和美人蕉的引入提升了沉积物微生物燃料电池系统的产电性能,增强了系统对上覆水中COD,NH+4-N,TP及底泥中TP,Zn,Cr和Cu的去除效果。

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。

沉积物微生物燃料电池的应用现状与展望

沉积物微生物燃料电池(SMECs)是一种典型的无膜微生物燃料电池,它借助于沉积物中具有电化学活性微生物的催化作用,氧化沉积物中有机物以获得电能。本文根据国内外SMFCs研究发展现状,探讨了SMFCs在为海洋或内陆水体的长期监测仪器提供低功率的电源、作为一种新型高效的沉积物原位生物修复技术以及作为毒性检测传感器等方面的应用现状,并讨论了其应用过程中存在的问题,最后对其今后的研究方向进行了展望。

聚苯胺基改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的应用及其电化学性能

本文采用电化学聚合法在碳毡表面沉积制备聚苯胺基改性阳极。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进行成分表征,用光学显微镜对改性电极表面形貌进行表征,并进行了一系列电化学测试。结果表明,聚苯胺和聚吡咯优异的电化学性能使电池的抗极化性能得到提高,最大输出功率密度提高了3倍左右,电池的整体性能得到改善。最后探讨了聚苯胺基改性阳极的作用机理。

沉积物微生物燃料电池在淤泥污染去除中的研究

沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为一种原位底泥修复技术近年来广受关注。与传统的原位生物修复技术相比,其结构简单,能够在降解沉积物中有机污染物的同时输出电能,具有广阔的应用前景。以河底淤泥为研究对象,利用含碳蜂巢格室结构作为阳极,碳布和石墨毡为阴极,构建并成功启动两个400 L的大尺度沉积物微生物燃料电池装置,对电池的产电特性以及淤泥中总有机碳和总氮的变化进行了研究。实验结果表明,碳布阴极电池的最大功率密度是石墨毡阴极电池的最大功率密度的两倍。经过36 d的运行,碳布阴极和石墨毡阴极电池的总有机碳分别下降4.33%和10.52%,总氮分别下降54.4%、41.67%。

沉积物微生物燃料电池河口底泥修复研究

河流污染底泥治理近年来备受重视,沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为一种新型原位底泥修复技术广受关注。为推进SMFC装置的现场底泥去污应用,在深圳市新涌河河口进行了底泥修复实验。以蜂巢格室结构热压碳网作为阳极,石墨毡为阴极,构建了一个大尺度SMFC装置。对装置覆盖区域底泥的污染物变化情况进行了研究,并分析了阳极附近微生物群落结构的变化。运行3个月后,实验区域底泥的总有机碳、全氮质量浓度分别比不做处理低18.5%、22.5%,阳极附近微生物群落多样性得到了提升,群落结构也发生了变化。实验结果表明,装置对底泥中的污染物具有一定的降解作用,为SMFC产电去污的现场应用提供了参考。

沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展

沉积物微生物燃料电池在修复水体沉积物的研究近年来受到广泛关注。相比较传统的原位生物修复技术,其不需要投加电子受体或供氧剂,而是以电极作为电子受体,并可在氧化有机物的同时产生一定的电能。本文详细介绍了其工作原理和特点,并阐述了阴极、阳极、电极间距、溶解氧浓度、外电阻、底物传质、微生物、水体种类对其的影响,对今后的应用和研发重点进行了展望。

不锈钢电沉积碳纳米管作为电极对于沉积物微生物燃料电池产电的影响

通过电化学的方法将碳纳米管沉积到不锈钢上,研究其作为电极对于沉积物微生物燃料电池(SMFC)产电性能的影响。结果表明,酸处理后的碳纳米管分散性好,并带上负电荷,有利于其电化学沉积到不锈钢上;用碳纳米管修饰后的不锈钢作为阴极可显著提高SMFC的产电性能,最大输出功率密度达到了31.6 mW/m2,是未修饰对照组的3.1倍,而作为阳极,其输出功率提高不明显。扫描电镜以及电化学分析结果表明,SMFC产电性能的提高主要是由于不锈钢丝上负载的碳纳米管,可显著提高阴极的电化学活性,增加阴极的氧还原速率。

隔膜对沉积物微生物燃料电池性能的影响

沉积型微生物燃料电池SMFC(sediment microbial fuel cell)在降低成本和放大实际操作方便性中具有重要地位,既能降解沉积物中有机污染物,又可同时输出电能的特性在自然水生态修复中有着广阔的应用前景。但其较高的氧扩散和基质扩散系数不适合其长期运行,且较低的库仑效率不能高效率地将有机污染物转化为电能。本文针对SMFC这一缺陷,利用质子膜、0.22μm孔径混合纤维膜和0.45μm孔径混合纤维膜对其进行改进,综合分析了其产电性能、物理化学特征、膜污染形态和有机质扩散等指标,0.22μm孔径混合纤维膜具有成本低,氧扩散和基质扩散低,库仑效率高和抗污染能力强等优点,适于拓展SMFC的应用前景。

沉积物微生物燃料电池用于养殖水修复研究

针对水产养殖水污染问题,构建了两组大规格沉积物微生物燃料电池(SMFC)装置,用于水产养殖底泥及上覆水的修复研究。结果表明,SMFC对于底泥及上覆水修复均有较明显促进作用。在系统运行的2个月内,两组SMFC的电压总体稳定在0.67~0.80 V,SMFC-A(中期考虑水体流动的影响)的最大功率密度为78.80 mW/m^(2),SMFC-B(水体静止)的最大功率密度为58.89 mW/m^(2)。55 d后,SMFC-A和SMFC-B上覆水的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷浓度分别降低40%、39%、72%、82%和34%、35%、46%、78%;SMFC对底泥中的有机质有一定的降解作用,并实现了对磷酸盐的固定。实验结果表明,SMFC能够促进水产养殖水的原位修复,应用前景广泛。

沉积物微生物燃料电池处理低浓度渗滤液的试验研究

采用沉积物微生物燃料电池处理低浓度垃圾渗滤液,考察了电池的产电性能及对污染物的去除效果。实验结果表明SMFC输出电压呈周期性变化,最大输出电压78 m V。最大功率密度为0.204m W/m2,功率密度随电流的增加先增大后减小,电池内阻较大为2810Ω,过高的内阻限制了燃料电池的产电。COD、氨氮去除率达分别达67%、59%。MLSS、MLVSS去除率分别为23.7%、29.5%。MLVSS/MLSS的比值由0.63降至0.58,在SMFC产电过程中污泥中的有机物得到有效降解。因此构建SMFC在处理低浓度渗滤液的同时可回收部分电能,可实现污水、污泥资源化。

聚苯胺在海底沉积物微生物燃料电池阳极改性中的研究进展

聚苯胺不仅是一种重要的导电高分子材料,而且是一种良好的阳极改性材料。本文论述了聚苯胺的各种合成机制以及分子结构,对影响聚苯胺电化学性质的各种因素做了分析介绍。结合海底沉积物微生物燃料电池的作用机制和应用特点,讨论分析了聚苯胺在这类微生物燃料电池电极改性方面的研究进展。

两种海洋细菌对海底沉积物微生物燃料电池产电效能及其阳极表面细菌群落的影响

从海底沉积物微生物燃料电池（Benthic microbial fuel cell，BMFC）模型的阳极表面分离得到了异养可培养优势细菌蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）LYX03和一株海洋新菌一海洋底泥食冷菌（Algoriphagus faecimaris ）LYX05，并分别加入BMFC阳极表面；通过电压输出功率变化和变性梯度凝胶微生物指纹图谱技术结合16SrDNA序列分析，进一步研究其对BMFC产电效能和阳极表面菌群的影响。同时进一步探讨了葡萄糖和LB培养基对BMFC的产电效能和阳极表面菌群的影响。结果表明海洋底泥食冷菌和LB培养基的直接加入导致该电池模型的产电效能显著降低，而蜡样芽孢杆菌及其胞外DNA，葡萄糖的添加对输出电压无显著影响。海洋细菌和碳源的加入对电池阳极表面菌群的种类组成有较大的扰动，导致细菌种类多样性的降低，其中华丽杆菌（Chryseobacteriurn sp．）为易感种类。

沉积物微生物燃料电池的性能提升策略

介绍了沉积物微生物燃料电池(sediment microbial fuel cells,SMFCs)的工作原理,分析、讨论了SMFCs性能提升的策略,具体包括电极材料比选、电极表面修饰、电极构型优化、电池构型优化、运行环境改善、SMFCs堆栈、功率管理系统等,为研究SMFCs性能提升提供借鉴。

外源添加物对海底沉积物微生物燃料电池性能的影响

以天然海泥(BMFC-0)、外添加葡萄糖的海泥(BMFC-1)和外添加丹皮酚的海泥(BMFC-2)作为底物构建海底沉积物微生物燃料电池(BMFCs),研究外源添加物对BMFCs电池性能及电极性能的影响。结果表明,丹皮酚对海泥中微生物具有明显抑制作用,葡萄糖提高海泥中微生物的产电性能。通路状态下,BMFC-1的阳极电位低于BMFC-0,BMFC-2的阳极电位高于BMFC-0。电化学研究结果表明,BMFC-1阳极生物膜中产电菌电化学活性高于BMFC-0,而BMFC-2产电菌的电化学活性受到抑制;BMFC-1和BMFC-2的阳极相对动力学活性分别是BMFC-0的1.91倍和0.67倍。BMFC-1的平均输出功率密度为7.294m W/m2,分别是BMFC-0(0.875m W/m2)和BMFC-2(0.106m W/m2)的8.3和68.8倍。根据添加物对阳极表面生物膜电容特性影响的分析,提出阳极表面电容性质对电极及电池性能影响的独特机理。

腐殖酸和木质素磺酸钠对海底沉积物微生物燃料电池性能影响的比较研究

沉积物有机质种类对海泥电池阳极和输出功率具有重要影响。腐殖酸和木质素磺酸钠是海洋天然存在的有机质和海泥细菌营养底物,本文通过向500g沉积物中分别添加2g腐殖酸(HA组)和木质素磺酸钠(Lignin组)比较二者对海底沉积物微生物燃料电池性能的影响。结果表明,HA组和Lignin组阳极附近微生物数量分别提高到空白组的11.6和17.0倍。其循环伏安电容分别从70.455F/m^(2)(空白组)提高到265.152F/m^(2)(HA组)和704.199F/m^(2)(Lignin组);交换电流密度分别是0.411×10^(-3) mA/cm^(2)(HA组)和0.585×10^(-3) mA/cm^(2)(Lignin组)较空白组(0.385×10^(-3) mA/cm^(2))分别提高1.1和1.5倍;最大功率密度提高了1.6和1.9倍,分别达到438.578mW/m^(2)(HA组)和520.722mW/m^(2)(Lignin组)。上述结果表明腐殖酸和木质素磺酸钠均提高了海泥电池的阳极性能和输出功率,且木质素磺酸钠的影响更为显著。本研究将为海泥电池应用的海域选择和性能分析提供理论依据。

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。