仿栅栏结构阳极的构建及其在海底沉积物型微生物燃料电池中的产电性能评价

研究了模拟实海环境下的阳极材料、阳极面积以及阳极埋置深度对海底沉积物型微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell,BMFC)产电性能的影响。优选出碳板为阳极材料,并基于碳板材料设计了具有栅栏状结构的阳极,将其应用于BMFC中,电池的最大输出功率可达到3.7 mW,结合升压模块将电池两端的输出电压提高到5.2 V,成功驱动了小型温湿度传感器。此外,栅栏状结构的阳极具有体积小易部署,便于构建电池单元组等优点,为BMFC在实海环境中的应用及扩大化提供了更加便利的解决方案。

3种沉水植物-沉积型微生物燃料电池对黑臭水体修复的研究

沉水植物-沉积型微生物燃料电池(Submerged plantsediment microbialfuelcell,SP-SMFC)是目前解决修复水体复黑臭最有发展前景的技术之一。以黑臭水体底泥为底质,构建了3种不同的沉水植物与沉积型微生物燃料电池耦合系统:分别为篦齿眼子菜-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC1)、矮生苦草-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC2)和金鱼藻-沉积型微生物燃料电池(标记为SP-SMFC3),为对照还构建了无植物的对照组(标记为SMFC)。结果表明:所构建的实验系统经驯化后能够稳定运行;引入沉水植物可提高系统输出电压,其中SP-SMFC2系统平均最高输出电压最大为0.659V;各实验组对底泥和上覆水的有机质和氮磷去除效果明显;构筑的系统可以有效防止水体复黑臭的发生。

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。

海底沉积物型微生物燃料电池研究进展

阐释了海底沉积物型微生物燃料电池的产电机理,简述了近年来电极材料的研究进展,重点介绍了海底沉积物型微生物燃料电池在海洋环境中的实际应用情况。

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。

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。

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。

不同湿地植物构建植物沉积型微生物燃料电池的研究

考察了粉黛万年青、小白掌、金边富贵竹、鹅掌柴4种湿地植物构建植物沉积型微生物燃料电池(Plant-Sediment Microbial Fuel Cell,Plant-SMFC)对电池基础特性的影响。试验结果表明:粉黛万年青、小白掌、金边富贵竹均可用来构建Plant-SMFC,并能显著提高SMFC的产电性能,其中小白掌电池组产电性能最优,Pmax为14.0 mW/m2,是空白的2.5倍。鹅掌柴在电池运行过程中烂根,不适合构建Plant-SMFC。阴阳极电极电位分析表明,各电池组输出电压的差异主要在于阳极电位的变化不同,而阴极电位变化基本一致且均在后期产生了一个大的跃迁,采用LSV验证了该跃迁的原因。最后利用HPLC分析证明了根系分泌有机酸的种类及含量与产电水平成正比,其中小白掌分泌有机酸种类及含量最多,有机酸总量达1.292 mg。

MnO_2-r-GO修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响

考察了MnO2-石墨烯(r-GO)修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(SMFC)的产电性能和体系有机质去除率的影响.实验结果表明,采用MnO2和r-GO对SMFC阴极进行复合修饰,运行稳定后,MnO2-r-GO修饰阴极体系与空白阴极体系相比,最高产电电压从65.2 mV增大到325.7 mV;最大功率密度由0.28 mW.m-2增大到17.4 mW.m-2,并且体系的内阻由1157Ω显著降低到159Ω;空白阴极体系和MnO2-r-GO修饰阴极体系的COD去除率和氨氮(NH4+-N)去除率分别由25.8%和27.3%增大到37.0%和32.7%.

植物沉积型微生物燃料电池的基础研究

以湿地植物仙羽蔓绿绒构建植物沉积型微生物燃料电池(Plant-SMFC),分别考察阳极不同驯化方式及电极材料对电池基础特性的影响。结果表明:Plant-SMFC以阳极协同驯化方式富集产电菌时,电池启动期较自然驯化方式缩短了3 d,产电水平亦明显提高,最大输出功率密度(2.84 mW/m2)为自然驯化方式的3.2倍,且该驯化方式对植物生长影响不大;活性炭纤维毡作为阳极电极材料效果优于石墨毡,电池启动期缩短了8 d,最大输出功率密度(5.78 mW/m2)提高了1倍,同时更利于植物的生长繁殖,运行60 d后收获植物干质量为2.5 g;高效液相色谱(HPLC)分析证明仙羽蔓绿绒根系分泌物中有机酸主要为顺丁烯二酸、反丁烯二酸、柠檬酸等小分子有机酸,它们均易被阳极产电菌利用以维持电池的稳定产电。

外阻对天然水体中沉积型微生物燃料电池(SMFC)运行特性的影响

在校园浅水湖中以10、100、500、1000Ω外阻运行沉积型微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cell,SMFC)180 d,考察了外阻对天然水体中SMFC产电性能和有机质去除率的影响.实验结果表明,运行180 d内,外阻为100Ω的SMFC体系(SMFC-100)的平均输出功率密度和有机质去除率最高,分别为3.40 mW·m-2和38%.短期运行(30 d)后,体系的内阻随着外阻增大而逐渐增大,分别为98.7、120.2、124.2、149.7Ω,但是SMFC-100体系的最大功率密度(Pmax)最高,为6.12 mW·m-2.长期运行(150 d)后,4个体系的内阻和Pmax均进一步增大,然而各体系的Pmax相差不大.

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%.

人工湿地微生物燃料电池构型对低温氨氮去除性能的影响

针对人工湿地在冬季低温条件下氨氮去除率下降的问题,提出构建人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)的方法来提高人工湿地低温条件下的氨氮去除性能,并考察了CW-MFC构型对低温下氨氮去除性能的影响。120 d的室外连续运行结果表明,在平均气温9.8℃运行60 d,CW-MFC比传统湿地的氨氮去除率提高9.9%。在CW-MFC中添加玻璃纤维作为分隔材料并采用双阳极结构,氨氮平均去除率可以达到81.8%。在CW-MFC产电期间,CW-MFC的容积脱氮效率与输出电压存在较好的相关关系。

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。

沉积型海底微生物燃料电池构建及其影响因素研究

海底微生物燃料电池具有底物丰富、可长期运行、维护成本低和环境友好等特点,具有很好的研究价值和广阔的发展前景。但由于其低的功率密度输出和长期运行的不稳定性,使海底微生物燃料电池尚未得到广泛地实际应用。选取海底沉积泥用于实验室构建的海底微生物燃料电池装置中,比较了在不同阳极材料、阴阳极面积比、阳极修饰、阳极泥下深度条件下海底微生物燃料电池的功率密度输出及其电化学性能,得出最佳的海底微生物燃料电池阳极材料为碳毡;阴极及电极最佳面积比为1∶1;最佳阳极修饰为氨水浸渍;最佳阳极泥下深度为2 cm。

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。