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。

沉积物掩埋程度对海洋微生物燃料电池阴极电化学性能的影响

海洋沉积物微生物燃料电池(MSMFCs)在海底产电并长期驱动传感器运行过程中,悬浮于水体中阴极易被海底沉积物掩埋从而影响产电性能,导致电池失效。在实验室中模拟沉积物分别掩埋1/3,1/2和2/3电池阴极,探究阴极电化学性能和电池产电规律。结果表明:随着阴极被沉积物掩埋程度增加,开路电位逐渐降低,而需要稳定的时间增加;阴极电容逐渐减小,最小电容降至32 F/cm^(2),是未掩埋对照组的0.72倍;动力学活性先降后升,最大活性为对照组的1.61倍(2/3组)。掩埋过程中,MSMFCs产电性能未受影响,最大功率密度达140.83 mW/m^(2)(1/3组),是对照组的1.21倍。可见,随着阴极被海底沉积物掩埋程度的增加,尽管阴极电化学性能下降、电池产电性能出现波动,但MSMFCs仍可正常工作。

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。

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。

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。

湖泊底泥微生物燃料电池中磷形态分布及释放研究

针对沉积物中沉积磷(P)通过微生物活动再释放,致使湖泊富营养化反复的问题,采集郑州大学眉湖上覆水和沉积物,搭建一个沉积式微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)系统,研究了通过SMFC限制沉积磷向上覆水体释放的方法。实验周期内监测SMFC的电压和阳极电极电位、上覆水温度pH、沉积物磷的Standards Measurements and Testing(SMT)法分级提取;并在实验开始与结束收集阳极微生物样进行微生物群落及基因分析;首次使用氧化锆薄膜扩散梯度技术(Zr-Oxide Diffusive Gradients in Thin-films,Zr-Oxide DGT)可视化了SMFC沉积物中不稳定磷亚毫米分辨率的浓度分布。结果表明:SMFC阳极电极电位从-100 mV升至230 mV;上覆水pH从7.15升至7.46;SMFC沉积物烧失量(Loss on Ignition,LOI)从18.31%±0.7%降至13.09%±1.10%,低于对照组的14.29%±2.10%;SMFC显著促进了孔隙水磷向沉积物磷的矿化过程,在沉积物垂向方向上,Na OH-P和HCl-P出现了明显的区域性增加;根据沉积物DGT磷的二维(2D)图像,SMFC使沉积物DGT磷的浓度最低降至初始值的66%;基于京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)数据库的功能基因分析,SMFC使磷相关功能基因丰度显著增加。证明SMFC对于沉积物磷和水相磷分布有显著影响,通过基质竞争、提高阳极电位等方式减弱固相磷的溶解,促进水相磷向沉积相磷的转化,可用于富营养化水体原位底泥磷稳定化。该文深入研究了SMFC固磷作用机理,为修复水体内源磷污染提供了一种新思路。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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.