无介体微生物燃料电池的研究进展

微生物燃料电池的出现使得降解有机污染物的同时收获电能成为可能，因而受到广泛关注。从产电微生物和电池结构两部分介绍了无介体微生物燃料电池的研究进展，对产电微生物的研究主要从产电微生物的种类、影响微生物产电的因素以及产电机理等方面进行阐述；对微生物燃料电池结构的研究，主要从电池阳极及阳极室、阴极及阴极室、分隔材料、整体结构和运行方式等方面进行了阐述；从提高微生物燃料电池产电能力的角度出发，对微生物和电池结构提出了研究方向，并展望了产电微生物燃料电池的研究前景。     

微生物燃料电池同步还原五价钒并产电

五价钒(V(Ⅴ))具有较强的毒性,在环境中广泛存在。本文采用双室微生物燃料电池,以人工模拟的含钒废水作为阴极电子受体,实现了V(Ⅴ)的同步还原与产电。同时发现:较高的初始V(Ⅴ)质量浓度能够提高微生物燃料电池的输出功率密度,但不利于V(Ⅴ)的去除;降低pH对功率密度和V(Ⅴ)的去除率都有利,但当pH低至2时,再减小pH,上述两指标没有显著提高。V(Ⅴ)在微生物燃料电池中被还原为V(Ⅳ),后者可以通过调整pH而沉淀,从而实现了含钒废水的有效处理并回收电能与钒元素。     

用于产电纯菌研究的MFC反应器的开发

以纯菌为对象进行产电机理研究是微生物燃料电池(MFC)技术进一步提高输出功率、走向实用的重要基础之一,然而由于产电纯菌研究要求的无菌性、厌氧性较为苛刻,给此类反应器的搭建、运行造成诸多困难。基于此,设计搭建了一种可灭菌的组件式两瓶型MFC,对其各组件进行了比较研究,并考察了接种Geobacter sulfurreducens后MFC的运行情况。研究结果表明,该反应器在运行周期内可保持良好的灭菌状态;使用铁氰化钾可有效地降低阴极极化,并保持阳极室的厌氧状态;该反应器可以较好地满足MFC对纯菌研究的要求。     

以葡萄糖为底物的微生物燃料电池产电特性研究

以城市污水处理厂的好氧和厌氧污泥作为接种液,通过构建双室微生物燃料电池,考察了以葡萄糖为底物时连续流微生物燃料电池降解有机物及产电的特性.结果表明:以泡沫镍板、石墨板作为阳极时的产电效果较好;在一定温度范围内,提高温度可增大电池的输出电压和开路电压;对阴极室供氧可提高微生物燃料电池的开路电压和输出电压;随着外接电阻值的增大,微生物燃料电池的输出电流变小,符合原电池电极的一般规律.     

利用藻类和厌氧污泥构建的微生物燃料电池及其产电净水性能研究

针对传统微生物燃料电池产电效率低、处理污水效果差的现状,提出并详细介绍了一种在藻类和厌氧污泥协同作用下的微生物燃料电池装置。该装置利用藻类的光合作用和厌氧污泥净化污水的作用,既能高效产电又能净化城市黑臭水。同时,通过实验研究了该装置的产电性能和COD降解效果。结果显示该装置最大输出功率密度可达到1.83 m W/m~2,COD总降解效率约为64.0%,表明了在藻类和厌氧污泥的协同作用下微生物燃料电池的产电效能和净化黑臭水的效果远大于传统微生物燃料电池,具有良好的应用前景。     

微生物燃料电池降解啤酒废水及同步产电特性

通过构建无媒介双室型微生物燃料电池(MFC),考察其降解啤酒废水的效果及同步产电特性。研究了外接电阻、温度和阴极曝气等条件对MFC产电的影响,监测了电池外电压和电极电势的变化过程,分析了微生物燃料电池的运行机理。通过稳态放电法得到以碳纤维布作为阳极材料的双室型微生物燃料电池的内阻为1 000Ω,最大产电功率密度为375 mW/m2。以啤酒废水为底物的MFC对COD的去除率为84%左右,外电压为0.21 V,库仑效率约为15%;而在以葡萄糖为底物的条件下,MFC的外电压为0.3 V,对COD的去除率为89%,产电性能及除污效率均有所提高。     

微生物燃料电池处理污水并产能的潜力分析

全球性能源危机导致污水处理朝着资源化与能源化的方向发展。欧美倡导的"能源工厂"或"碳中和"运行理念更是激发了从污水中回收能源的国际研发与应用热潮。作为一种能够同时将有机物去除并将其所蕴含的能量直接以电能回收的技术,微生物燃料电池(MFC)技术研发方兴未艾。这就需要首先在科学上系统了解MFC的发展历程、基本原理、研究现状,继而从工程角度分析MFC在污水处理中得以应用的潜力。在总结MFC最新研发进展的基础上,对MFC用于实际污水处理可获得的能量进行了匡算,发现其能源转化效率还不及污水处理剩余污泥厌氧消化产甲烷可获得的能源转化效率。况且,MFC的有限能量转化是以牺牲脱氮除磷所需碳源作为代价。以MFC为基础衍生而来的微生物电解电池(MEC)产氢技术在实际应用时可能亦存在相同问题。面对MFC/MEC目前的应用窘境,对其未来技术研发走向进行了定位。     

碱处理污泥为底物的微生物燃料电池产电特性

利用剩余污泥作为接种体,在不添加任何营养元素的情况下,成功启动了两室型微生物燃料电池(MFC)。对剩余污泥进行碱解预处理,考察将其作为MFC底物的可行性,同时分析了剩余污泥经不同时间的碱处理,MFC产电性能的变化及其对污泥的降解效果。结果表明:利用碱预处理污泥作为底物时,MFC的稳定输出电压、最大产电功率密度和对TCOD的去除率均提高,同时周期运行时间延长。并且,随着碱处理时间的延长,MFC的稳定输出电压、产电功率密度和对TCOD的去除率均增大。当碱处理时间为24 h时,稳定输出电压达到630 mV(外阻R=500Ω),最大产电功率密度为11.73 W/m3,对TCOD的去除率为25.3%。这与碱处理使得固体有机物被水解有关。     

微生物燃料电池发展态势分析

随着世界经济的高速发展和人口的不断增长,能源短缺和环境污染问题日益成为制约发展的瓶颈。微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)能将污染物中蕴含的化学能直接转化为电能,实现同步污水处理和电能回收,是一种极具前景的可持续污水处理技术。同时,MFC在污泥处理、生物修复、环境监测、海水淡化等方面也展示了诱人的前景。基于科睿唯安Web of Science数据库和德温特专利检索分析平台(Derwent Innovation,DI),对MFC领域1990～2018年的论文和专利数据进行统计分析,得出全球MFC领域的发展趋势、国际分布、研发热点和技术格局。在此基础上,对未来MFC领域的发展做出了展望,对中国MFC产业化发展提出了思考和建议。     

多阴极室反硝化除磷产电装置启动运行研究

多阴极室反硝化除磷产电装置中,将微生物燃料电池引入双污泥反硝化除磷工艺,以厌氧池作为微生物燃料电池的阳极室,以好氧池、二沉池、缺氧池和终沉池分别作为微生物燃料电池的阴极室。以模拟生活污水为处理对象,多阴极室反硝化除磷产电装置经过调控以后进入稳定运行状态,在60 d的测定周期中,对COD、NH4+-N和PO34--P的平均去除率分别为69.88%、62.31%和57.13%,最高去除率分别为80.44%、74.16%和64.86%,厌氧和好氧池、厌氧和二沉池、厌氧和缺氧池、厌氧和终沉池作为4组微生物燃料电池产生的电压和电流平均值分别为0.44、0.40、0.09、0.10 V和0.49、0.45、0.10、0.11 m A,最高电压分别达到了0.55、0.51、0.13、0.12 V。多阴极室反硝化除磷产电装置不仅增强了对生活污水中COD、NH4+-N和PO34--P的去除效果,而且提高了产电性能。     

新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池的性能研究

设计了新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池(MFC),考察了其产电及污水净化特性。滴滤式MFC阴极的充氧效果良好,稳定产电的电流密度高达39 A/m3,最佳阴极循环流量为120 mL/min,此时最大功率密度为91.2 W/m3。滴滤式MFC可以实现阳极除碳、阴极硝化,对COD和NH4+-N的去除率分别为72.8%和98.7%,且阴极的硝化过程在一定程度上缓解了阴极pH值的升高。滴滤式MFC能够在无机械曝气的条件下维持产电和净化污水效能,其低能耗的特点为MFC的实际应用提供了一种新的解决方案。     

微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响

以阳极开路电势和阳极内阻为评价指标，比较了碳纸、石墨和碳毡3种阳极材料的产电性能，考察了孔体积、表面积、孔径分布、表面粗糙度和表面电位5种阳极特性对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明，增加多孔电极的孔体积、表面积以及内孔径都可以提高阳极上的微生物量，并降低了阳极内阻；增加非多孔电极的表面粗糙度也可增大阳极上的微生物量，同时还能降低阳极的内阻。表面电位对阳极微生物富集和产电也有影响，对于初始电位分别为450、300和40mV的阳极，产电稳定后其上的蛋白质含量分别为38、82和98μg／cm^2，说明表面电位越低则生物量越高，内阻越小。     

生物阴极微生物燃料电池产电性能的研究

构建了一个生物阴极微生物燃料电池,研究了外阻、基质初始浓度、缓冲溶液对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明:当外阻≥50Ω时,微生物燃料电池能稳定运行,其库仑效率随着外阻的减小而增大;微生物燃料电池稳定运行的时间随着基质初始浓度的增大而增加,但库仑效率随着基质浓度的增大而减小;缓冲溶液能提高微生物燃料电池的输出电压和库仑效率,使溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。     

表面改性碳纳米管粉体在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池(MFC)是一种集产电和污水净化为一体的新型水处理技术,但产电性能低限制了MFC的推广应用.为了提高MFC的产电性能,在阳极室投加表面改性的碳纳米管(CNTs)粉体,以加速阳极产电生物膜的形成,同时提高整个生物膜的产电能力.投加经过氨气处理的CNTs粉体后,MFC运行仅4 h其输出电压即升至400 mV;投加经过混酸处理后的CNTs粉体,得到了MFC的最大产电功率密度为(236±5)mW/m<'2>,相对于对照组则提高了约40%.氨基的引入是启动时间缩短的主要原因,而阳极内阻的降低是产电功率密度得以提高的主要原因.     

两瓶型微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的研究

采用两瓶型微生物燃料电池(MFC)处理垃圾渗滤液,考察了其产电情况和对污染物的降解效果.结果表明:渗滤液中的有机物在阳极室得到了较好的去除,当进水COD为1 105mg/L时,对COD的去除率约为78.3%.随着渗滤液比例的增大,电流密度和功率密度逐步下降,这是由于阳极室溶液的电导率下降造成的.随着渗滤液浓度的增加,输出电压、电流密度和功率密度增大,同时MFC的产电周期明显延长,从COD为502 mg/L时的4d增加到COD为1105mg/L时的近7d.当以渗滤液为底物时,相比以乙酸钠为底物的情况,MFC的最大功率密度有所降低,从2.0 W/m3下降为0.78 W/m3,内阻也有所增大,从300Ω增加到约500Ω.     

小型天然气制氢与PEMFC热电联产技术进展

介绍了小型天然气制氢技术及其与质子交换膜燃料电池集成进行热电联产的进展、工作原理、运行模式及优点,展望了发展前景.