微生物燃料电池型厌氧堆肥系统处理脱水污泥

针对脱水污泥厌氧堆肥周期长的问题，构建微生物燃料电池型厌氧堆肥系统（ microbial fuel cell-anaerobic com-posting， MFC-AnC），在厌氧堆肥（ anaerobic composting， AnC）的基础上利用生物产电加速污泥降解的同时回收电能．采用电化学方法考察MFC-AnC系统运行性能，系统运行35 d，获得开路电压0．84 V，最大功率密度5．3 mW/m3，内阻80Ω．通过对MFC-AnC系统运行期间污泥理化性质的分析发现，生物产电可促进AnC系统中污泥的减容效果，脱水污泥含水率由88％降至82．3％．MFC-AnC系统中脱水污泥SCOD含量高于AnC系统，VS/TS值略低于AnC系统，说明生物产电可以促进脱水污泥水解和对可生化降解有机物的利用，加速污泥的减量．系统运行15～20d，污泥中SCOD、溶解性碳水化合物和蛋白质溶出效果最好，VS的利用率最高，生物产电加速污泥有机物利用的效果最明显．

微生物燃料电池型人工湿地去除抗生素的效能研究

考察了微生物燃料电池型人工湿地(MFC-CW)系统对不同浓度抗生素的去除效果和产电特性,以及不同共基质浓度对去除抗生素和产电的影响.结果表明,系统对磺胺甲恶唑(SMX)和四环素(TC)的去除分别以微生物降解和吸附为主.四环素具有较强的极性,进入系统后能够立即被填料稳定吸附.磺胺甲恶唑易随水流动,更容易被微生物降解.进水抗生素浓度越高,出水浓度越高,系统开路电压越低.同时,进水共基质浓度也影响MFC-CW对抗生素的去除效率和产电能力.随着系统共基质浓度的增加,系统开路电压和系统内阻逐渐增大,而系统库伦效率逐渐下降.由此表明进水抗生素浓度和共基质浓度都应控制在一定范围内,才能使系统在产电、抗生素降解方面达到优化平衡.

微生物燃料电池型人工湿地去除四环素机理研究

四环素是一种重要的抗生素,广泛存在于自然水体中,对环境造成潜在危害。本文采用人工湿地(Constructed Wetland, CW)和微生物燃料电池型人工湿地(Microbial fuel cell -Constructed Wetland,MFC-CW)两种方式对四环素进行去除,试验结果显示:当MFC-CW运行稳定后,测定其电压为561±10 mV,并且持续保持稳定状态。最大功率密度为0.0572 W/m 2,对应电流密度为0.2675 mA/m 2,MFC-CW内阻为395.3Ω。CW和MFC-CW对COD Cr 去除率为别为85.1%和90.41%,出水中四环素浓度为分别为0.87~3.92 μg/L和 0.31~0.91 μg/L, MFC- CW较CW而言具有更高的污染物去除效能。

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。

开闭路运行模式下微生物燃料电池型人工湿地处理抗生素废水的效果及微生物群落响应

为探究微生物燃料电池型人工湿地处理抗生素废水的效果,构建了闭路运行(CW-MFC1)与开路运行(CW-MFC2)的微生物燃料电池型人工湿地,研究了不同电路运行模式下微生物燃料电池型人工湿地对氮、COD以及抗生素的去除效果,并对阳极与阴极的微生物群落及其与污染物去除效果的关系进行了探究。结果表明,闭路运行模式下CW-MFC对NH+4-N、TN、COD以及盐酸环丙沙星(CIPH)与磺胺甲恶唑(SMX)2种抗生素的去除效果均显著高于开路运行模式(P<0.05),对NO^(−)_(3)-N的去除效果低于开路运行模式。16SrDNA测序结果表明:闭路运行模式下CW-MFC阳极具有更高的微生物丰富度和多样性;不同电路运行模式对阳极与阴极门水平上的微生物群落结构影响较小,但对属水平上的微生物组成有显著的影响。冗余分析结果表明,CW-MFC对污染物的去除率随着绝大多数阳极与阴极的细菌属的相对丰度增加而增加,但随着阳极的Methylotenera相对丰度的增加而减少。以上研究结果表明,闭路运行模式下CW-MFC处理高浓度抗生素废水具有更好的潜力。

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。

采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料电池的设计和制作

在堆栈式微型直接甲醇燃料电池μ-DMFC(Micro-Direct Methanol Fuel Cell)中,为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂,采用了硅和PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)材料分别制作阳极和阴极流场板。首先,采用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制作硅基阳极流场板。其次,通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS表面活化等改进措施显著提升了PDMS阴极流场板金属化的能力。最后,比较和分析阳极流场板上3种不同结构的流道形式的堆栈式μ-DMFC的输出性能。实验结果表明,活化后的PDMS阴极流场板与Cr/Au的粘附性能和粘接强度显著提高,同时阳极流场板的流道一半开设为凸台,一半开设为通孔时,其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。最大输出电流密度为81.25 mA/cm2,最大输出功率为7.73 mW/cm2。采用硅和PDMS材料分别制作流场板,不仅简化了堆栈式μ-DMFC的结构,而且能够缓冲锁紧力,有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构,能够有效提升堆栈式μ-DMFC的输出性能。

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。

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%.

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.

中温平板型固体氧化物燃料电池研究

采用流延法制备Ni/YSZ阳极支撑体 YSZ电解质复合膜素坯.经等静压,共烧结而得到的复合膜,其YSZ电解质层的厚度在1530μm之间,面积大于100cm2.再将由柠檬酸盐法合成的Ce0.8Sm0.2O1.9(CSO)和固相法合成的La0.6Sr0.4CoO3(LSCO)相继沉积到YSZ膜上形成有CSO中间层的复合阴极,从而构成Ni/YSZ/CSO/LSCO的中温平板型固体氧化物燃料(单体)电池,其中Ni/YSZ为阳极,CSO是中间层,LSCO为阴极.以H2作燃料气,O2为氧化气,850℃下,该单电池开路电压达1.1V,最大输出功率密度0.2W/cm2.本文还对该单电池复数阻抗谱进行了分析讨论.

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%.

磷酸型燃料电池中电解质性能的研究(Ⅱ)

简要叙述了磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）最新研究进展，介绍了在相同条件下比较氢和甲烷作为燃料在磷酸（８５％ ）电解质和Ａ型电解质（多氟磷酸和磷酸的混合物）中的电化学行为。在１３０℃，将Ａ型电解质燃料电池的输出特性与磷酸（８５％ ）电解质燃料电池进行比较。全部试验在有参比电极的三电极试验电池中进行，试验电极采用自制电极，辅助电极采用光亮铂电极或者镀铂电极，参比电极采用动态氢电极。测量系统是由Ｄ．Ｈ．Ｗ 型恒电位／恒电流仪和３０８６ 型记录仪组成。Ａ型电解质燃料电池的输出功率高于磷酸（８５％ ）电解质燃料电池，这是由于Ａ型电解质具有较高的离子活性和活度。实验表明，Ａ型电解质具有较高的电化学性能。

基于酶型生物燃料电池发展的自供电生物传感器的应用进展

重点综述了基于酶型生物燃料电池发展的自供电式生物传感器的工作原理和在检测分析酶的底物、酶抑制剂以及临床上病毒与生物标志物等方面的研究进展,并对今后的研究趋势进行了展望。

好氧/缺氧生物阴极型微生物燃料电池组合工艺处理含氮废水的研究

考察了好氧/缺氧生物阴极型微生物燃料电池(MFCs)组合工艺对模拟氨氮废水的处理情况,该组合工艺由好氧MFC(O-MFC)和缺氧反硝化MFC(A-MFC)组成。结果表明:连续运行时,O-MFC和A-MFC的输出功率分别为14.2 W/m3和8.8 W/m3,对COD、氨氮和TN的去除率分别为98.8%、97.4%和97.3%。随着氨氮浓度的增加,A-MFC的功率密度增大,O-MFC的功率密度下降。当氨氮浓度为100 mg·L-1时。

聚苯胺修饰阴极对沉积型微生物燃料电池产电性能的影响

考察了聚苯胺(PANI)修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(SMFC)产电性能和有机质去除率的影响。衰减全反射红外光谱(ATR)表征证明修饰电极表面PANI为导电的质子掺杂状态。电化学阻抗谱(EIS)测试揭示,PANI修饰电极的欧姆内阻(R ohm)和电荷转移内阻(R ct)明显低于空白电极,且随着PANI负载量的增大逐渐减小。以PANI修饰阴极序批式运行沉积型微生物燃料电池(SMFC),可以显著提高SMFC的产电性能以及沉积物中有机质去除率。与空白阴极SMFC体系相比,PANI-110修饰阴极SMFC的最大功率密度增大了64倍,表观内阻减小了12倍,SCOD去除率由12.4%增大到40.3%。

低温型燃料电池混合发电系统的半物理仿真

针对低温型燃料电池运行状态对电池性能和寿命的影响,建立了基于机理的质子交换膜燃料电池的电气模型,给出了采用电化学方程的质子交换膜燃料电池半物理混合发电系统电气特性的模型结构、优化、仿真和实验,为低温型燃料电池混合发电系统的研究提供了一个实际工程应用模型。

微小型质子交换膜燃料电池性能测试分析

微小型质子交换膜燃料电池(mPEMFC)在便携式电子设备、便携式军用设备等领域有着广泛的应用前景。搭建了微小型燃料电池性能测试平台,对三种极板流场的微小型PEMFC性能进行比较,并研究了不同的运行参数对交指流场微小型PEMFC性能的影响。实验结果表明,交指流场的微小型PEMFC性能最佳,蛇形流场次之,平行流场最差,交指流场的微小型PEMFC的性能受其电池温度和加湿温度影响较大,性能随气压升高而稍有提高。实验结果对提高微小型PEMFC的性能有一定参考价值,有利于微小型PEMFC在生活中的推广应用。

基于在线序列超限学习机和主成分分析的蒸汽冷却型燃料电池系统快速故障诊断方法

为解决蒸汽冷却型燃料电池系统的故障诊断问题,该文提出基于在线序列超限学习机和主成分分析的蒸汽冷却型燃料电池系统快速故障诊断新方法。新方法采用主成分分析过滤冗余信息,得到能反映蒸汽冷却型燃料电池系统状态的故障特征向量;使用在线序列超限学习机对故障特征向量进行分类,能有效提高模型诊断正确率并降低运算时间。实例分析表明:新方法可快速识别膜干故障、氢气泄漏故障和正常状态共三种健康状态。算法的诊断正确率为99.67%,运算时间为0.296 9s。新方法的诊断正确率比SVM和BPNN分别高出14.34%和9.34%,在线序列超限学习机的运算时间仅为SVM和BPNN的1/1 011和1/132。因此,该文所提方法适用于大数据量样本和多数据维度下的蒸汽冷却型燃料电池系统在线故障诊断。

可利用蓝藻产电的沉积型微生物燃料电池的构建与启动

沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)是一种新型无膜微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)。本文以产电功率为评价指标,通过研究接种污泥来源、添加甲烷菌抑制剂——氯仿的体积分数和阳极外径尺寸对系统产电的影响,构建并启动了可将有机污染物转化为电能的SMFC体系;同时探讨了所构建SMFC利用蓝藻产电的可行性。结果表明,以厌氧颗粒污泥为接种污泥,添加产甲烷菌抑制剂——氯仿体积分数为3%,阳极外径为80 mm的条件下,驯化挂膜45 d后,SMFC的产电效率趋于稳定,外电阻1 000 Ω时,最大功率密度为14.1 mW/m^2。在所构建SMFC阳极污泥中投加太湖蓝藻代替葡萄糖作为利用的底物,当蓝藻投加量为100 g时,最大功率密度为5.7 mW/m^2,该蓝藻资源化新技术具有较大的研究价值和应用空间。