活性炭空气阴极微生物燃料电池的放大和串并联组合研究

采用体积分别为28 mL(mL-MFC)和4.5 L(L-MFC)的单室空气阴极微生物燃料电池,考察了扩大化对活性炭空气阴极性能的影响.mL-MFC的最大功率密度为30 W/m3(1 200 mW/m2),L-MFC的最大功率密度为7.3 W/m3 (435 mW/m2),扩大化后活性炭空气阴极性能下降是致使L-MFC功率降低的主要原因.电化学阻抗(EIS)分析表明,L-MFC中阴极性能下降主要是由于工作水压增大,导致了阴极扩散电阻增大和氧气还原速率降低.通过串联或并联方式组合L-MFC,可明显提高电池的输出电压或电流;串并联组合后电池的功率密度有所下降,主要由电池连接时的接触电阻引起.     

小球藻生物阴极型微生物燃料电池的基础特性

利用自行设计的阴极管状光生物反应器式微生物燃料电池(MFC)作为实验模型,考察了阴极室投加小球藻后不同光暗周期下电池的产电、阴极溶氧及阴极藻的生长情况. 结果表明,阴极投加小球藻后,电池产电性能明显提高,光暗间歇组最大功率密度为24.4 mW/m2,持续光照组最大功率密度为27.5 mW/m2. 阴极溶氧及电化学分析证实溶氧是影响电压变化的主要因素,持续光照组溶氧较稳定,但比光暗间歇组光照阶段溶氧水平低;MFC阴极室培养小球藻不会对其造成毒害,光暗间歇时小球藻生长较好. 运行小球藻生物阴极型MFC采用光暗间歇培养较好,并可适当延长光照时间.     

直接微生物燃料电池的影响因素

以厌氧污泥作为初始接种体,构建了一个直接微生物燃料电池,并经过160h的驯化,获得最大电压为590mV(1000Ω),并考察了不同底物和催化剂对电池性能的影响。结果表明,葡萄糖的最大功率密度(669mW/m2)要高于丁二酸的最大功率密度(235mW/m2)。通过比较电极电位,发现阳极电位随外电阻的变化较大,这主要是混合菌对不同底物的利用能力存在差异,可通过选择合适的产电菌来提高丁二酸产电的性能;并以锰作为阴极催化剂,其最大输出功率密度为147mW/m2,与铂作为阴极催化剂有一定的差距,还需进一步优化催化剂配比和制备工艺。     

微生物燃料电池产电的影响因素

以输出功率和内阻为评价指标,考察了直接微生物燃料电池在间歇运行过程中pH值、底物浓度、电极间距和添加电解质对产电性能的影响. 结果表明,pH值对输出功率影响较大,最佳值为7.5;输出功率随底物浓度的增大而增大．减小电极间距能有效降低电池内阻,提高输出功率,当电极间距为2 cm时,最大功率密度为700 mW/m2,内阻为80 W,库仑效率为7.7%. 磷酸盐缓冲溶液作为电解质对功率提高的效果优于NaCl,其添加量为100 mmol/L时,最大功率密度达922 mW/m2,内阻为70 W,库仑效率为11.5%.     

温度对微生物燃料电池电化学性能的影响

分别在20℃,37℃和45℃三个温度条件下以间歇方式运行大肠杆菌生物燃料电池(MFC),研究功率密度、电极电势、电化学阻抗等电化学性质随温度的变化规律.结果表明:温度从20℃提高到37℃,最大功率密度从53.35 mW/m2 (275 mA/m2)增加到610.5 mW/m2(2775 mA/m2),增长了10.5倍;同时阳极电极电势降低;且阳极电化学阻抗由741.9 Ω降低到42.4 Ω.在一定温度范围内,升高温度不仅能提高电池功率输出,而且能增强其电化学活性.但是,太高的温度反而不利于生物燃料电池的运行.45℃时的最大功率密度只有171 mW/m2(600 mA/m2),比37℃时最大功率610.5 mW/m2(2 775 mA/m2)减少72％;同时阳极电化学阻抗由42.4 Ω增加到416.1 Ω.大肠杆菌生物燃料电池在37℃时具有最佳的电化学性能.可见,温度在生物燃料电池运行中是一个非常重要的操作参数.     

高效双室微生物燃料电池的运行特性

微生物燃料电池(MFC)在产生电流的同时还能处理糖蜜废水和电镀废水,并能从电镀废水中回收金属单质。本实验确定了电镀废水阴极液对双室微生物燃料电池产电性能的影响,阴极液分别采用银离子、铜离子和锌离子溶液作为MFC的阴极液,其初始浓度均配成1000mg/L。结果表明,锌离子作为阴极时MFC的产能效果最不理想,功率密度仅为1.9×10-6mW/m2。阴极为铜离子溶液时,可以获得相对大一些的功率密度(13.9mW/m2)。产能效果最好的是银离子阴极MFC,在电流密度为82.7mA/m2其获得最大功率密度为23.1mW/m2,COD去除率为71%,且其重金属去除率最大(72%),远远高于锌离子和铜离子。研究表明,重金属离子可以作为微生物燃料电池的阴极电子受体,MFC可以将有机废水中的化学能直接转化为电能,同时将重金属还原,具有显著的环境效益和经济效益。     

微生物燃料电池处理含铬废水并同步产电

以葡萄糖为阳极燃料、含铬废水为阴极液,碳毡为阳极、石墨板为阴极构建了双室微生物燃料电池,考察了阳极条件(底物浓度)及阴极条件(pH、初始六价铬浓度)对含铬废水的降解及MFC的产电性能的影响.结果表明低阴极液pH和高初始Cr(Ⅵ)浓度能改善MFC产电性能.当pH=2、初始六价铬浓度为177 mg/L、反应时间为10 h时,最大输出功率为108 mW/m~2,六价铬去除率为92.8%.阳极底物浓度对微生物燃料电池的性能也有影响.在微生物燃料电池中,阴极极化较小,表明该燃料电池有稳定的性能,微生物燃料电池对含铬废水的处理有应用潜力并能同步产电.     

不同碳材料阳极对海底微生物燃料电池性能影响

分别以相同投影面积的不同碳材料作阳极,以最大功率、阳极电势和内阻为评价指标,研究不同碳材料对海底微生物燃料电池(BMFCs)产电性能影响,利用塔菲尔曲线比较不同碳材料电化学活性.结果表明:碳纤维、碳毡、泡沫碳、碳棒做阳极时,稳定电位和启动时间基本相同;抗极化性能依次减弱;最大功率密度分别为45.79、22.16、16.85、6.17 mW/m2;电池内阻分别为:213、257、312、358Ω;最大交换电流密度分别为0.33、0.13、0.11、0.01 A/m2;组成电池的稳定输出功率分别为0.72、0.61、0.51、0.32 mW.阳极物质传递分析表明,BMFCs产电性能受阳极材料表面附着微生物数量和底物转移率影响.     

基于进水流速的连续流小球藻MFC性能研究

针对规模化养殖源分离废水的特点和当代水处理技术存在的问题,在间歇流MFC研究的基础上,基于同步废水处理、产电能及小球藻生物质能回收,进行了连续流小球藻生物阴极型MFC对源分离养猪废水的处理实验。研究发现MFC在5种不同进水流速条件下,当流速为1 mL/6.5 min时,稳定输出电压值、库仑效率和最大功率密度达到最大值,分别为537.26±23.78 mV、14.39%±0.58%和2 740.30 mW/m~3;COD去除率随着进水流速的减小逐渐增大,在1 mL/10 min进水流速时达到最大,为77.58%±0.48%;当进水流速为1 mL/3.0 min时,MFC的内阻达到最大,为437.14Ω;减小阳极进水流速为1 mL/5.0 min后,MFC得到了最小的内阻值,为195.73Ω,较1 mL/6.5 min与1mL/10.0 min进水流速时分别低了7.63%与25.14%;从产电性能、COD去除效果、阴极微藻生长状况及阴极溶解氧浓度等方面综合分析,该MFC在进水流速为1 mL/6.5 min时,系统整体性能表现最佳。     

微生物燃料电池处理晚期垃圾渗滤液的特性研究

采用双室型微生物燃料电池(MFC)处理晚期垃圾渗滤液,考察了其产电性能及渗滤液处理效果。在外阻为1 000Ω,MFC中垃圾渗滤液的体积分数为20%时,其最大输出电压为660.6 mV,最大输出功率密度为2 182.0mW/m3。当体积分数升至100%,其最大输出电压为709.4 mV,最大输出功率密度为2 513.4 mW/m3,COD去除率约为70.4%。MFC运行期间,渗滤液中的氨氮一部分在阳极室中作为电子供体产电而被去除,另一部分从阳极室转移到阴极室,7 d内NH4+转移率达43%。与此同时,内阻从1 010Ω增加到2 000Ω,阳极液电导率从2.09×10-3S/cm下降到9.15×10-4S/cm。     

Production of Electricity during Wastewater Treatment Using Fluidized‐Bed Microbial Fuel Cells

A membrane‐free fluidized‐bed microbial fuel cell (FB‐MFC) was applied to investigate the effects of fluidization parameters on its electrogenesis capacity. Active carbon particles were found to significantly decrease the start‐up time and increase the output voltage of the FB‐MFC. The fluidization behavior of the active carbon particles in the FB‐MFC reactor is one of the key parameters that influence the generation of electricity. With the FB‐MFC operating under optimal conditions, maximum power density with minimal internal resistance of the MFC could be obtained. The FB‐MFC could be operated in large‐scale wastewater treatment processes with high chemical oxygen demand removal efficiencies.     

气相法聚乙烯中试流化床操作规律的研究

通过冷模实验确定气相法聚乙烯中试装置流化床流化特性的一些基本参数,由床层压降与气体流速的关系确定流化床操作的起始流化速度和气体流速,由气体流速对床层膨胀比的影响得出床层的初始装料高度。     

垂直筛板流化床中FCC催化剂的流化性能

以FCC催化剂颗粒研究垂直筛板流化床内构件对气固两相流化性能的影响,考察了板孔气速、颗粒循环量和帽罩开孔比等筛板结构对流化床压降和提升量强度的影响. 结果表明,气固两相总体逆流流动条件下,帽罩内气速达4 m/s,气固高速并流喷射无气泡,两相接触好、返混小,属快速流态化. 由于没有气泡,床层压力波动小,在塔板上颗粒返混小. 垂直筛板压降随板孔气速、帽罩底隙高度增大而增大,随帽罩开孔比、板孔径增大而减小,颗粒提升量大,床层压降大. 提升量强度随板孔气速、帽罩底隙高度、颗粒循环量增加而增大,随帽罩高度与塔节高度比增大而减少,随帽罩筛孔孔径变化存在最大值. 当帽罩开孔比为1.2~2.5、板孔面积与帽罩截面积比为0.42、帽罩底隙高与板孔孔径比为0.36~0.64时帽罩流化性能较好.     

稻草及热解半焦颗粒流化特性

研究了稻草及不同温度热解半焦颗粒在内径100 mm、高1000 mm的有机玻璃流化床中的流化特性. 结果表明,稻草颗粒无法单独流化,而其热解半焦颗粒可单独流化;半焦颗粒的最小流化速度随粒径增大而增大,与床层高度无关,筛分粒径为0.45~0.9, 0.18~0.45, 0.125~0.18 mm的半焦颗粒的最小流化速度分别为0.19, 0.16, 0.14 m/s;300~550℃温度范围内稻草热解半焦颗粒的流化特性无明显区别;半焦与稻草颗粒混合流化时,稻草颗粒不大于20%(w)时床层有较好的流化质量,混合颗粒的最小流化速度都随混合颗粒中稻草含量增大而增大.     

振动流化床中双组分颗粒流化特性的研究

本文研究了内径为１４８ｍｍ振动圆柱床中等密度和不等密度的双组分颗粒流化特性,考察了不同振动强度对双组分颗粒的床层空隙率、最小流化速度及相图的影响,给出了床层空隙率和最小流化速度的计算式,此计算值与实验值基本相符,且对振动流化床的实际操作和工程设计起到一定的指导作用。     

Bubbling and Bed Expansion Behavior Under Vibration in a Gas‐Solid Fluidized Bed

The effect of vibration on the flow patterns and fluidization characteristics including the minimum fluidization velocity (u_mf), the void fraction (ϵ_mf) at u_mf and the bed expansion ratio were examined. The powders used were spherical glass beads and their diameters were 6, 20, 30, 60 and 100μm. For group A powders, the manner in which the vibration affects the bubble formation was examined from the bed expansion ratio and the index of n/4.65. The area of the homogeneous fluidization region was also observed. The homogeneous fluidization region was broadened at a certain vibration strength, where the value of n/4.65 was a minimum. The bubble formation was observed even for 20μm powder (group C), at large vibration strengths and at high gas velocities. Under such conditions, the bed expansion ratio increased suddenly due to bubble formation. The bubbles broke the irregular bed structure, including various properties of agglomerates. Although the channel breakage was dominant flow pattern for group C powders, the bubbles also played an important role in the improvement of the fluidization.     

搅拌流化床中超细氧化铁粉流态化及还原实验研究

在内径50 mm的搅拌流化床内进行了平均粒径239 nm的氧化铁粉的流态化及氢气还原实验. 结果表明,床中氧化铁颗粒以聚团鼓泡形式实现完全流化,最小流化速度为0.025 m/s,最大床层膨胀比为2.0. 在500℃下用氢气还原该氧化铁粉的反应过程为：Fe2O3?Fe3O4?Fe,Fe颗粒的粒径比Fe2O3小,有颗粒烧结现象,由Fe引起的颗粒烧结和粘结作用可能导致失流. 与普通流化床相比,搅拌能使流化时间由3 min延长至15 min,使失流时样品的金属化率由15%提高至76%.     

气固流化床气泡发生频率的研究

在单孔二维气固流化床中(292mm×16mm)用高灵敏度电容探针研究气泡发生频率.以频谱分析仪分析气泡频率分布曲线.考察了一系列参数对气泡频率功率分布密度曲线的影响,其中包括颗粒直径(0.105—0.590mm),颗粒重度(590—2990kg/m~3),颗粒最小流化速度(0.0072—0.481m/s),床层初始高度(205—565mm),探针离孔口垂直距离,孔口气体流率(0.5—35×10~(-4)m~3/s)以及床层辅助流化气速(0—3倍最小流化速度)等.对于重度低的小颗粒流化床,单孔气泡发生频率符合Davidson和Harrison早先推导的模型.随着颗粒直径和重度的增大,实验数据与上述模型呈有规律的偏差.本文提出气体从形成中气泡的顶半球以最小流化速度值向乳浊相泄漏的模型,推导了气泡发生频率的基本方程.以本研究的泄漏模型,用数值计算方法在计算机上计算的气泡发生频率与实验数据相吻合.     

流化床与固定床耦合反应器中的颗粒磨损

在直径50mm的冷模流化床与固定床耦合反应器中,考察了活性炭颗粒在130～150℃及不同气速下的磨损情况,得到了不同气速下固定床中圆柱状颗粒的磨损率随时间的变化关系,同时分析了滞留在流化床、固定床及袋滤器中的细颗粒在不同气速下的粒径分布与质量分布.结果表明,颗粒在该耦合反应器中磨损严重,在0.212～0.424m/s气速下,固定床中颗粒质量损失可达3%～4%,流化床中颗粒平均粒径由200μm降至100μm以下.     

纳米TiO2在环隙流化床中流动特性的实验研究

在环隙流化(AFB)床中,应用实验测量技术研究了床层压降和床层膨胀曲线以及最小流化速度的变化规律.研究结果显示,在升速流化时,随着气速增大,床层压降和床层膨胀比也随之增大,当气速超过一定值时,纳米TiO2颗粒完全流化,压降波动和床层膨胀比趋于平稳.最小流化速度随着纳米TiO2质量的增加而增大.