循环伏安扫描对微生物燃料电池启动和产电性能的影响

微生物燃料电池（MFCs）的启动及产电性能直接影响其应用于对实际废水的处理。以屠宰厂废水为基质研究了循环伏安扫描对单室空气阴极微生物燃料电池启动和产电性能的影响。结果表明：经过24 h CV扫描的MFCs其启动时间比常规电阻（1000 Ω）直接启动的MFCs缩短了71.4%（从420 h缩短至120 h）,MFCs最大功率密度提高了21.5%,达到37.8 W·m^-3。通过电极生物量测定和生物膜表面形貌观察发现,经CV扫描的阳极生物量显著提高且生物膜的产电菌占优势是MFCs性能提高的主要原因。说明CV扫描不断促进产电菌在阳极表面的吸附,而且增加产电微生物的生长速度。这一技术为发展MFCs的快速启动和提升MFCs的产电性能提供了新思路。     

碳纤维阳极构造对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池（MFCs）阳极性能受生物膜的影响,而生物膜则直接与阳极表面积有关。以不同长度和数量的碳纤维丝作为阳极,研究了阳极构造和表面积对MFC输出功率的影响。当阳极为单根长度为1 cm碳纤维丝时,MFC产生的最大功率密度最高,为10.50 W·m^-2,随着碳纤维丝长度逐渐增加（2～14 cm）,MFC产生的最大功率显著下降。以多根的长度为2 cm碳纤维丝构成阳极时,MFC的功率与根数（1～4 根）呈正比,当采用4根2 cm纤维丝时,MFC的最大功率密度为2.92 W·m^-2,该数值为单根8 cm碳纤维丝的2.78倍。观察碳纤维丝长度方向上的生物膜的分布表明：受碳纤维欧姆电阻的影响,在碳纤维丝电流引出端附近的生物量明显大于碳纤维其他地方,这说明：增加纤维丝长度虽可提高阳极的表面积,但并不能提高阳极的产电性能。     

Comparison on Thermal Conductivity and Permeability of Granular and Consolidated Activated Carbon for Refrigeration

This paper focuses on the development of three types of activated carbon (AC) adsorbents, i.e. granular AC, consolidated AC with chemical binder, and consolidated AC with expanded natural graphite (ENG). Their thermal conductivity was investigated with the steady-state heat source method and the permeability was tested with nitrogen as the gas source. Results show that the thermal conductivity of granular AC with different sizes almost maintains a constant at 0.36 W·(m·K)^-1, while the value modestly increases to 0.40 W·(m·K)^-1 for the consolidated AC with chemical binder. The consolidated AC with ENG at the density of 600 kg·m^-3 shows the best heat transfer performance and their thermal conductivity vary from 2.08 W·(m·K)^-1 to 2.61 W·(m·K)^-1 according to its fraction of AC. However, the granular AC and consolidated AC with chemical binder show the better permeability performance than consolidated AC with ENG binder whose permeability changes from 6.98×10^-13 m² to 5.16×10^-11 m² and the maximum occurs when the content of AC reaches 71.4% (by mass). According to the different thermal properties, the refrigeration application of three types of adsorbents is analyzed.     

Ferroelectric solid solution Li1 − xTa1 − xWxO3 as potential photocatalysts in microbial fuel cells: Effect of the W content

Microbial fuel cells (MFCs) are bio-electrochemical systems that can directly convert the chemical energy contained in an effluent into bioelectricity by the action of microorganisms. The performance of these devices is heavily impacted by the choice of the material that forms the cathode. This work focuses on the assessment of ferroelectric and photocatalytic materials as a new class of non-precious catalysts for MFC cathode construction. A series of cathodes based on mixed oxide solid solution of LiTaO₃ with WO₃ formulated as Li_1-xTa_1-xW_xO₃ (x=0, 0.10, 0.20 and 0.25), were prepared and investigated in MFCs. The catalyst phases were synthesized, identified and characterized by DRX, PSD, MET and UV-Vis absorption spectroscopy. The cathodes were tested as photoelectrocatalysts in the presence and in the absence of visible light in devices fed with industrial wastewater. The results revealed that the catalytic activity of the cathodes strongly depends on the ratio of substitution of W⁶⁺ in the LiTaO₃ matrix. The maximum power densities generated by the MFC working with this series of cathodes increased from 60.45 mW·m^-3 for x=0.00 (LiTaO₃) to 107.2 mW·m^-3 for x=0.10, showing that insertion of W⁶⁺ in the tantalate matrix can improve the photocatalytic activity of this material. Moreover, MFCs operating under optimal conditions were capable of reducing the load of chemical oxygen demand by 79% (COD_initial=1030 mg·L^-1).     

微生物燃料电池MnO2/S-AC泡沫镍空气阴极的制备及其性能

利用超级电容器活性炭(S-AC)直接还原KMnO₄制备出复合比例分别为1:3、1:1和3:1的MnO₂/S-AC复合催化剂, 进而负载于泡沫镍上制得MnO₂/S-AC泡沫镍空气阴极。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量散射X 射线谱(EDX)和比表面积(BET)及孔分布测试对所制复合催化剂表征可知, 随复合比例的增加, 在S-AC表面的MnO₂由纳米薄片聚集成粒径为300～500 nm的颗粒, MnO₂/S-AC的内部及外部表面积都有所减少。基于线性扫描伏安曲线、功率密度曲线和极化曲线分析微生物燃料电池(MFC)的阴极性能和产电性能。复合比例为1:3时, MFC最大功率密度达到321.2 mW·m^-2, 比阴极负载S-AC时提高了约20%, 这与其较高的比表面积和MnO₂良好的催化活性相关。MnO₂/S-AC复合催化剂控制在一定的质量比时, 可以有效提高阴极性能及MFC的产电效果, 有助于空气阴极MFC的的放大和工程应用。     

Inocula selection in microbial fuel cells based on anodic biofilm abundance of Geobacter sulfurreducens

Microbial fuel cells(MFCs)rely on microbial conversion of organic substrates to electricity.The optimal performance depends on the establishment of a microbial community rich in electrogenic bacteria.Usually this microbial community is established from inoculation of the MFC anode chamber with naturally occurring mixed inocula.In this study,the electrochemical performance of MFCs and microbial community evolution were evaluated for three inocula including domestic wastewater(DW),lake sediment(LS)and biogas sludge(BS)with varying substrate loading(L_(sub))and external resistance(R_(ext))on the MFC.The electrogenic bacterium Geobacter sulfurreducens was identified in all inocula and its abundance during MFC operation was positively linked to the MFC performance.The LS inoculated MFCs showed highest abundance(18% ± 1%)of G.sulfurreducens,maximum current density [I_(max)=(690 ± 30)m A·m~(-2)] and coulombic efficiency(CE = 29% ± 1%)with acetate as the substrate.Imaxand CE increased to(1780 ± 30)m A·m~(-2)and 58% ± 1%,respectively,after decreasing the R_(ext) from 1000 Ω to 200 Ω,which also correlated to a higher abundance of G.sulfurreducens(21% ± 0.7%)on the MFC anodic biofilm.The data obtained contribute to understanding the microbial community response to Lsub and R_(ext)for optimizing electricity generation in MFCs.     

挤出塑料管喷淋冷却的数值模拟

冷却系统是塑料挤出管道生产工艺中的关键设备,其冷却的均匀性和效率直接影响管道产品的质量及生产速度。首先基于ANSYS对喷淋冷却瞬态传热进行模拟,结果表明：对流传热系数小于180 W·m^-2·K^-1时,冷却至目标温度（47℃）所需的时间随传热系数的变化明显;传热系数大于180 W·m^-2·K^-1时,冷却至目标温度所需的时间随传热系数的变化不大。然后基于FLUENT软件对喷淋喷嘴进行模拟,研究了喷淋入口速度、喷嘴高度对喷淋传热系数的影响,结果表明：随着喷淋入口速度的增加（6～15 m·s^-1的范围内）,总体对流传热系数增大,驻点处的传热系数由217 W·m^-2·K^-1增加到386 W·m^-2·K^-1;随喷淋高度的减小（68～128 mm范围内）,壁面传热系数呈增加趋势,驻点处传热系数由227 W·m^-2·K^-1增加到311 W·m^-2·K^-1。基于以上研究,为真空定径喷淋冷却水槽的整体优化提出合理建议。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4 mm,质量流速G=143、300 kg·m^-2·s^-1,主流过冷度ΔT_sub=17、25℃,热通量q=1～20 W·cm^-2的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度N_a,气泡脱离直径D_d,气泡脱离频率f等。     

耦合生物阴极SND的MLMB -MFC的构建与运行

为有效提高脱氮效率、降低微生物燃料电池运行成本,设计了一种新型多通道折流板无膜微生物燃料电池（MLMB -MFC）。该系统耦合生物阴极同步硝化反硝化（SND）,实现产电的同时脱氮除碳。分别考察了系统的启动和运行情况,研究了不同阴极溶解氧（DO）和不同进水碳氮比（C/N）对MLMB-MFC的产电性能和SND效果的影响。经5 d启动运行后,平均功率密度达42.65 mW·m^-3,稳定运行后的最大功率密度（P_M）为94.22 mW·m^-3,有机物去除率为96.6%。阴极DO浓度为4.90~5.23 mg·L^-1、阳极基质C/N比为4时,总氮（TN）的去除率为27.9%,SND率为48.7%,表明该系统的生物阴极能较好地耦合硝化反应、异养反硝化反应和自养反硝化反应于一体,从而达到脱氮目的。     

一体化笼式生物脱氮反应器水力特性

水力特性是生物脱氮反应器高效稳定运行的基础,采用脉冲刺激响应技术研究了一体化笼式生物脱氮反应器的水力特性。试验结果表明:在水力停留时间为4 h,水力负荷为6.0 m³·m^-3·d^-1,表面流速0.145 m·h^-1的条件下,该反应器的流态趋于全混流。以多釜串联模型表征,供气量为1.714、3.214、6.429、8.571 m³·m^-3·h^-1时的串联釜数依次为1.55、1.56、1.54和1.55;以轴向扩散模型表征,对应的Peclet数分别为1.479、1.503、1.466和1.478;两个模型预测结果一致。反应器总死区的均值为41.63%,其中水力死区的均值为21.99%。在所试范围内,供气量对其水力特性的影响较小。     

柔性桨强化高黏度流体混合的能效分析

引言搅拌混合操作广泛应用于化工、食品、冶金及环保等过程工业领域[1-4]。搅拌槽内物料的混合程度及其功率消耗是影响产品质量和设备作业效率的关键因素。当物料黏度较高时,搅拌槽内的流     

MoO3/石墨烯/碳纳米管复合阴极在MFCs中的应用

采用简单的水热合成法制备了氧化钼（MoO₃）/石墨烯（GNS）/碳纳米管（CNT）复合材料。用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）表征了材料的形貌和结构。用循环伏安（CV）和线性扫描（LSV）测试了材料的氧还原催化性能,结果发现,复合材料的氧还原电流和起始电位均大大优于单一的MoO₃,表现出较好的催化性能。含有3 mg·cm^-2 MoO₃/GNS/CNT复合材料作为阴极催化剂的MFC最大功率密度为510 mW·m^-2,达到商业铂碳的83%。因此,廉价的MoO₃/GNS/CNT复合材料作为MFC阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。     

石墨烯/聚苯胺复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用化学氧化还原法制备高纯度石墨烯（GR）,利用电化学修饰法得到石墨烯/聚苯胺（GR/PANI）膜阳极,采用红外光谱（FI-IR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）对所制备复合电极进行了表征,采用循环伏安法（CV）、交流阻抗法（EIS）考察了复合电极的电化学性能。将GR/PANI膜阳极应用于固定床微生物燃料电池（MFC）,考察了电池的产电性能。均匀地附着在石墨烯表面,GR/PANI膜电极具有良好可逆性,其电阻小、导电性良好。GR/PANI膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为230.2 mW·m^-2和834.6 mV,比未修饰阳极的最大功率密度和开路电压分别提高了110.6%和34.8%,GR/PANI膜阳极的表观内阻也由未修饰阳极的843.2Ω降低为469.4 Ω,且电池启动时间大大缩短,产电稳定性增强。结果表明,GR/PANI复合物是一种优良的电极材料,GR/PANI膜阳极MFC具有良好的产电性能。     

AD-MFC中甲醇与硝酸盐的偶合过程与作用机制

在双室微生物燃料电池(MFC)阳极内接种反硝化细菌富集培养物,同时加入硝酸盐和甲醇,构建了阳极反硝化微生物燃料电池(AD-MFC),并以批式操作研究了AD-MFC的反硝化产电性能。试验结果表明,在初始硝氮浓度为(100.22±0.62)mg·L^-1,COD浓度为(500.40±1.67)mg·L^-1的条件下,AD-MFC的最大容积NO₃^--N和COD去除速率分别达到0.31 kg N·m^-3·d^-1和1.06 kg COD·m^-3·d^-1,最大电压达到(602.80±5.42)mV,相应最大功率密度为(908.42±0.07)mW·m^-3。AD-MFC的产电过程是甲醇氧化与硝酸盐还原的偶合过程,电压变化与反硝化作用密切相关,可用于指示反硝化进程。AD-MFC的电压曲线呈现降低-升高-再降低的三阶段特性,其原因是反硝化作用、甲醇降解作用和细胞水解发酵作用依次成为阳极液中的主导反应。     

压力延迟渗透发电技术的影响因素探究

压力延迟渗透技术作为提取盐差能的一种有效方法,已在海洋新能源开发方面展现出巨大潜力,提高盐差能发电效率是目前压力延迟渗透技术尚需解决的重要问题之一。以压力延迟渗透过程膜的水通量和功率密度为评价指标,重点研究了料液流动方式、流速和浓度等因素对压力延迟渗透过程性能的影响。结果表明,采用逆流方式、增大浓度差、提高流速均有利于提高压力延迟渗透过程中的水通量和功率密度,其中,单侧增加原料液浓度,水通量和功率密度均呈逐渐降低趋势;单侧增加驱动液浓度,水通量和功率密度均呈逐渐上升趋势。选取河水-正渗透浓盐水模拟体系,采用逆流操作,在压力差为1 200 kPa条件下,提升原料液流速效果更优;驱动液流速为1.0 L·min^-1,原料液流速从0.5 L·min^-1提升到2.0 L·min^-1时,水通量提升了17.3%,功率密度也从8.01 W·m^-2增加到9.39 W·m^-2。     

Performance of anaerobic fluidized bed microbial fuel cell with different porous anodes

Anode materials were used to construct microbial fuel cells(MFCs), and the characteristics of the anodes were important for successful applied performance of the MFCs. Via the cyclic voltammetry(CV) method, the experiments showed that 5 wt% multiwalled carbon nanotubes(MWNTs) were optimal for the PANI/MWNT film anodes prepared using 24 polymerization cycles. The maximum output voltage of the PANI/MWNT film anodes reached 967.7 mV with a power density of 286.63 mW·m~(-2). Stable output voltages of 860 mV, 850 mV, and870 mV were achieved when the anaerobic fluidized bed microbial fuel cell(AFBMFC) anodes consisted of carbon cloth with carbon black on one side, copper foam and carbon brushes, respectively. Pretreatment of the anodes before starting the AFBMFC by immersion in a stirred bacterial fluid significantly shortened the AFBMFC startup time. After the AFBMFC was continuously run, the anode surfaces generated active microbial catalytic material.     

柔性桨与自浮颗粒协同强化高黏度流体混沌混合

高黏度流体混合处于层流状态,存在混沌混合区和隔离区,混沌混合是提高其混合效率的有效方法。为增强高黏度流体的混沌混合,在甘油体系中采用柔性搅拌桨并加入自浮颗粒,实验研究了最大Lyapunov指数(LE_max)随单位体积功耗(P_v)的变化规律。结果表明,只加入固体颗粒对原体系LE_max的影响不大,当P_v=2000 W·m^-3时,使用柔性桨后体系LE_max增加10.29%;柔性桨与固体颗粒协同作用时,可使体系LE_max增加30.86%。在P_v≤2000 W·m^-3时,柔性桨和自浮颗粒协同强化高黏度流体混沌混合的效果最好。     

以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性

为提高生物质能源利用效率,降低废水处理成本,实验构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）,碳布作为阴阳极材料,将牛粪沼液作为接种液及底物进行产电性能测试,同时考察了MFC对该沼液的降解效果。结果表明,MFC能够利用沼液进行产电,最高输出电压330 mV,内阻10 kW,最大功率密度为10.98 mW·m^-2,沼液中的不可溶性物质是导致MFC输出电压、功率密度低的重要原因。MFC的运行对沼液中的有机物、氮、磷等物质具有一定的降解能力,24 h内去除率分别达到20.73%、67.82%、72.56%。因此,MFC作为产生电能的新方法,在联合处理沼液等有机废水节能减排方面具有广阔前景。     

太阳能海水晒盐强化技术的研究

基于太阳能高效界面蒸发技术,利用活性炭过滤棉、海绵、百洁布和烧结不锈钢形成不同的双层组合,进行优化,以促进太阳能海水晒盐过程.实验结果表明:在光强1 000 W·m-2下,活性炭过滤棉与海绵的双层组合能更有效促进水分的蒸发,光热转化层距水面高度在4 mm左右、仅铺设1层时(厚度为3 mm)会有更好的蒸发效果;在盐聚集的...     

HRT和曝气量对AAO-BAF系统反硝化除磷性能的影响

以COD/TN为4左右的生活污水为处理对象,通过调节系统进水流量和曝气生物滤池（BAF）曝气量,研究了水力停留时间（HRT）和BAF气水比对AAO-BAF反硝化除磷系统运行性能的影响。结果表明,气水比和水力负荷（HLR）对BAF的硝化性能有显著影响,BAF气水比为3：1时,NH₄⁺去除率降低到了72%;当AAO的HRT为4 h,BAF的HLR为3 m³·m^-2·h^-1时,即使BAF的气水比达到8：1,也不能保证NH₄⁺的完全去除。试验得出,AAO-BAF反硝化除磷系统的PO₄^3-去除率与NH₄⁺去除率存在良好的相关关系,为保证90%以上的磷去除率,NH₄⁺去除率应该达到98%。当AAO的HRT≥6 h,BAF气水比≥4：1时,AAO-BAF系统对COD、NH₄⁺、TN和PO₄^3-的去除率分别可达87%、99%、80%和95%。