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沉积物微生物燃料电池的性能提升策略

现代化工 2020年第11期40卷 53-57页

作者：郭飞史宗阳罗惠芹西华大学土木建筑与环境学院四川成都610039

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S... 详细信息

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。

关键词：沉积物微生物燃料电池性能提升策略黑臭水体及底泥修复

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沉积物微生物燃料电池用于养殖水修复研究

环境污染与防治 2022年第7期44卷 841-845,853页

作者：孙竹腾张金凤张庆河天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室(天津大学) 天津300350

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,SM... 详细信息

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。

关键词：沉积物微生物燃料电池水产养殖污染修复上覆水流动

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沉积物微生物燃料电池河口底泥修复研究

环境污染与防治 2021年第12期43卷 1585-1589页

作者：钟传强胡江灵中铁十八局集团第四工程有限公司天津300350

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... 详细信息

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。

关键词：污染底泥沉积物微生物燃料电池生物修复微生物群落结构

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沉积物微生物燃料电池的应用现状与展望

安全与环境工程 2013年第3期20卷 10-13页

作者：高玉玲皇青晏再生南京信息职业技术学院电子信息学院南京210046 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室南京210008

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... 详细信息

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。

关键词：沉积物微生物燃料电池产电原位生物修复生物传感器

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沉积物微生物燃料电池在污染底泥修复中的应用研究

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沉积物微生物燃料电池在污染底泥修复中的应用研究

作者：孙竹腾天津大学

学位级别：硕士

随着我国城市化、工业化的迅速发展,大量未经处理的污水、废水进入河湖,引起水体的黑臭现象。底泥作为水生态系统的重要组成部分,与上覆水存在持续的物质交换,成为各种污染物的富集场所。为防止二次污染,根治水体黑臭现象,必须从底泥治... 详细信息

随着我国城市化、工业化的迅速发展,大量未经处理的污水、废水进入河湖,引起水体的黑臭现象。底泥作为水生态系统的重要组成部分,与上覆水存在持续的物质交换,成为各种污染物的富集场所。为防止二次污染,根治水体黑臭现象,必须从底泥治理出发。沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)是一种环境友好型的新型生物修复技术,可将沉积物中的有机质分解并产生电能,在底泥修复及上覆水体水质净化方面具有巨大的应用前景。本文构建了不同材料及结构的SMFC系统,通过研究底泥及上覆水体中污染物的去除效率及产电性能,筛选效率高、经济且便于实际应用的SMFC装置,并应用于河口的原位底泥修复。主要内容和结论如下:(1)以黑臭鱼塘的底泥及水体为研究对象,阳极采用包裹碳纤维布的蜂巢结构,阴极采用石墨毡,构建了两组规格为100×70×70 cm的SMFC系统。2个月后,SMFC装置对底泥中的总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)有明显的降解作用,在上覆水流动的条件下,TOC降低了19.54%,并实现了对磷酸盐的固定;上覆水体中化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)降低了38%。结果表明,SMFC能够促进水产养殖水体的原位修复,有利于降低水产养殖污染的处理成本。(2)为提高污染物去除效率,构建了多组不同电极材料及结构的SMFC系统,比较不同装置的污染物去除效率及产电性能,认为采用碳纤维刷和石墨毡电极的SMFC系统表现出更好的产电性能。2个月后,在100Ω的外接电阻下,采用石墨毡电极的SMFC系统底泥TOC降低了19.73%;上覆水体中COD、氨氮、总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)浓度分别下降61%、38%、72%和73%。同时,SMFC明显抑制了水体富营养化及藻类的快速繁殖。(3)在室内实验的基础上,以热压碳粉的蜂巢格室结构为阳极,石墨毡为阴极,进行了新涌河河口的原位底泥修复。设计了阳极固定和下压的模具,并总结了一套较完整的安装方法,提高了装置的安装效率及质量。3个月后,SMFC区域底泥中的总有机质和TN含量分别降低了30.67%和22.52%,同时改变了阳极附近底泥中的微生物群落结构多样性,具有良好的工程应用价值。

关键词：沉积物微生物燃料电池底泥污染物原位修复水体净化

沉积物微生物燃料电池中传质强化及产电性能提升策略

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沉积物微生物燃料电池中传质强化及产电性能提升策略

作者：史宗阳西华大学

学位级别：硕士

沉积物微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cell,SMFC)借助特定的微生物降解环境中的污染物,将化学能直接转化成电能,同时实现沉积物的原位生态修复和生产清洁电能,可应用于沉积物原位修复及偏远地区小功率环境传感器能源供应等领... 详细信息

沉积物微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cell,SMFC)借助特定的微生物降解环境中的污染物,将化学能直接转化成电能,同时实现沉积物的原位生态修复和生产清洁电能,可应用于沉积物原位修复及偏远地区小功率环境传感器能源供应等领域。本文以淡水沉积物为研究对象,构建沉积物微生物燃料电池反应器,采用水力驱动阴极旋转与在沉积物中构建物质传输通道的方式分别对阴极与阳极进行传质强化。研究了上述两种方式对SMFC产电性能、微生物群落结构的影响,为SMFC的传质强化及性能提升提供理论依据,为SMFC的实际应用提供参考借鉴。通过构建旋转阴极,利用水力驱动阴极旋转强化阴极传质的研究中发现,与装有传统统浸没式水平阴极的电池(SMFC-C)相比,构建旋转阴极的电池(SMFC-R)在静态条件下的功率密度提升了70.2%,在上覆水流动及水力驱动阴极旋转条件下,功率密度提升了21.9%。上覆水的流动可以促进传统浸没式水平阴极氧传递速率和氧还原反应(ORR)速率,但对旋转阴极的作用不明显,其主要原因是ORR发生在旋转阴极上暴露在空气中的部分。当水力驱动阴极旋转时,可以更好地在阴极附近建立CO/碳酸盐和CO/碳酸氢盐缓冲系统,维持阴极附近较低的p H水平,同时促进溶解氧(Dissolved oxygen,DO)的传质速率,达到传质强化效果,最终实现性能的提升,并且使用水力驱动旋转阴极时,阳极微生物群落多样性及丰富度略有提高。通过构建物质传输通道,提升SMFC产电性能研究中发现,在保证阳极/阴极间距不变的情况下,阳极上方沉积物厚度越大,SMFC的内阻越大,输出电压越低,但SMFC产电性能的稳定性越好。通过建立物质传输通道可以有效减少SMFC的内阻,同时,可以及时疏导阳极单元产生的H,强化传质,使产电微生物处于有利的p H环境,获得更低的阳极电势。由于阳极的性能与阴极性能有着密切联系,较低的阳极电势对阴极产生积极影响,最终实现性能的提升。实验中建立的3 cm传输通道的电池(SMFC-3),其内阻减少34.7%,功率密度提升66.7%。此外,建立物质传输通道,可提高阳极下表面微生物群落结构多样性,有利于SMFC性能的提升与稳定。在实际应用中,构建类似于水车构型的旋转阴极,不仅能直接利用水力动阴极旋转,强化阴极传质,提升性能,还具有美化景观作用。在沉积物中建立物质传输通道,强化阳极传质,提升性能,且操作简单。两种提升性能的策略所需材料廉价易得且运行稳定可靠。

关键词：沉积物微生物燃料电池传质速率产电性能提升微生物群落结构

沉积物微生物燃料电池对磺胺甲噁唑的降解及微生物群落结构变化的影响研究

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沉积物微生物燃料电池对磺胺甲噁唑的降解及微生物群落结构变化的...

作者：邓经惠天津大学

学位级别：硕士

目前沉积物中抗生素的污染日益严重,这将严重影响人类的健康。本实验旨在研究沉积物微生物燃料电池降解抗生素磺胺甲噁唑的变化规律及其中微生物群落结构的变化。研究发现沉积型微生物燃料电池能够有效促进和改善沉积物中磺胺甲噁唑的降... 详细信息

目前沉积物中抗生素的污染日益严重,这将严重影响人类的健康。本实验旨在研究沉积物微生物燃料电池降解抗生素磺胺甲噁唑的变化规律及其中微生物群落结构的变化。研究发现沉积型微生物燃料电池能够有效促进和改善沉积物中磺胺甲噁唑的降解,在运行的第25天时间,去除率达到了80%以上。在垂直放置沉积物微生物燃料电池阳极的实验组(SMX+V)和水平放置沉积物微生物燃料电池阳极的实验组(SMX+)中,明显可以发现去除率:表面>底部>中部。其中底部>中部主要是由于底部距离沉积物微生物燃料电池的阳极更近,这进一步证实了微生物燃料电池系统具有影响半径。而表面>底部则是由于表面的磺胺甲噁唑解析到水溶液中,磺胺甲噁唑具有降低的Kow,使得磺胺甲噁唑很容易从沉积物中解析到水溶液中,在自然条件下,磺胺甲噁唑会逐渐往底部聚集,使得底部磺胺甲噁唑的浓度高于中部及上部。沉积型微生物燃料电池的阳极放置方式对产电性能及磺胺甲噁唑去除效率的影响进行深入研究,发现水平放置比垂直放置方式更适合去除污染物且产电性能更好,这一发现可以对实际的工程领域具有较大的参考及指导意义。在沉积型微生物燃料电池系统的作用下相比于相应的初始沉积物,阳极生物膜上细菌的多样性有所降低,同时也低于运行结束后相应的未加入沉积性微生物燃料电池的对照组,因为经过45天的运行后,闭路系统中的阳极会对产电微生物进行富集,进而降低细菌群落的多样性。研究微生物群落结构受到抗生素及沉积物微生物燃料电池的影响的问题,高通量测序结果显示在河湖沉积物微生物燃料电池中,与初始实验组(CK)相比,距离CK的从近到远分别是:不含磺胺甲噁唑及燃料电池的实验组(NoSMX),CKno,SMXH,加入磺胺甲噁唑且沉积物微生物燃料电池为垂直放置实验组(SMXV)与加入磺胺甲噁唑实验组(CKsmx)距离初始值均较远。由此可以看出加入磺胺甲噁唑和垂直放置阳极的沉积物微生物燃料电池均能对微生物群落结构造成显著影响。阳极附近沉积物具有显著变化的是CKsmx实验组中的Burkholderiaceae科和SMXV实验组中的Comamonnadaceae科。

关键词：沉积物微生物燃料电池磺胺甲噁唑去除率产电性能微生物群落结构电极放置方式

沉积物微生物燃料电池电极修饰及阴离子去除的研究

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沉积物微生物燃料电池电极修饰及阴离子去除的研究

作者：梁会会齐鲁工业大学

学位级别：硕士

因为没有质子交换膜,沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC)比起普通双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)电池成本低很多,受到广大学者的关注。本研究结合石墨烯以及层状双氢氧化物(LDH)的特性,将其分别... 详细信息

因为没有质子交换膜,沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC)比起普通双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)电池成本低很多,受到广大学者的关注。本研究结合石墨烯以及层状双氢氧化物(LDH)的特性,将其分别修饰在SMFC的阳极和阴极,一方面用于提高SMFC的产电能力,另一方面提高阴极室对硝酸盐去除,进一步增加沉积物微生物燃料电池在实际应用中作用。使用经过石墨烯和LDH修饰后电极,微生物燃料电池的开路电压达到了0.75 V,其内阻为110Ω,根据功率密度曲线可以得到,在电流密度为1805 mA/m2时MFC具有最大输出功率密度519 mW/m2。最终的去除率能够达到74.7%,比空白的增加了近20%。另外研究了直接使用铁棒而没有外电路的反应体系的电压和硝酸盐氮的去除效果。该体系难以获得较大的电压,但是同样可以去除硝酸盐氮。结果显示,在18天时间内,铁棒反应体系的下降速率明显的快于空白对照组的反应体系。但是经过20天反应之后,两组的反应速率逐渐趋向于一致。最终的去除效率达到了98.3%,然而对照组的去除效率仅为79.3%。不同的初始浓度对于此反应体系中硝酸盐氮的去除效率基本上是相同的。不同的传递电子的材质,在前12天之内处于相同的去除速率,12天之后两者之间才出现差别,以至于硝酸氮的下降水平有了较为明显的区别,而最终的碳棒的去除效率为87.3%。亚硝氮和氨氮在整个过程中会略有增加,但是随着反应体系的运行会逐渐的低于检出限。这说明NH4+和NO2-仅作为反应中间产物生成,硝酸氮直接还原为没有污染性的氮气排放到空气中。最后,对两部分进行综合作用的研究。结果显示综合体系能够得到的最大电压可达0.7 V左右。在硝酸氮的去除效果中,可以看出,综合体系中的下降速率明显快于空白。但是经过14天反应之后,两组的反应速率又逐渐趋向于一致。最终的去除效率达到了85.7%。结果表明,修饰电极和铁棒在该反应体系中有一定的作用,既提高了阴极室中硝酸氮的去除率,又增加了电流的输出。

关键词：沉积物微生物燃料电池石墨烯层状双氢氧化物铁棒硝酸盐

沉积物微生物燃料电池产电研究及其在生物修复中的应用

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沉积物微生物燃料电池产电研究及其在生物修复中的应用

作者：罗德学齐鲁工业大学

学位级别：硕士

人类的发展离不开能源,传统的化石类燃料不可再生,并且在使用时会造成环境污染,已无法满足人类可持续性发展。开发新能源和进行环境保护修复已经成为人类可持续发展过程中,应对能源短缺和环境污染这两个全球性难题的解决思路。沉积物微... 详细信息

人类的发展离不开能源,传统的化石类燃料不可再生,并且在使用时会造成环境污染,已无法满足人类可持续性发展。开发新能源和进行环境保护修复已经成为人类可持续发展过程中,应对能源短缺和环境污染这两个全球性难题的解决思路。沉积物微生物燃料电池(sediment microbial fuel cells,SMFCs)是一种可同时解决能源和环境问题,获得可再生能源和实现环境生物修复的技术。根据沉积物的类型,SMFC可分为活性污泥SMFC和湖泊底泥SMFC。活性污泥SMFC因污泥中有机质含量高,可获得高的产电率,然而在运行过程中,阴极表面会附着影响阴极氧化还原反应的生物膜,降低SMFC的产电性能。湖泊底泥SMFC产电效率一般都较低,不利于电能收集,但是通过原位利用电能进行湖泊生物修复已成为目前研究的一个热点方向。本文通过理性设计,通在活性污泥SMFC中沉积物-水界面设置碳毡隔膜构建了碳毡隔膜SMFC,并对其产电性能和机理进行了研究;利用湖泊底泥搭建SMFC,并探究沉积物来源、阴极材料和外电阻对SMFC生物修复的影响因素;探究当利用零价铁作为SMFC阴极时,铁阴极在生物修复过程中的作用机理。研究发现,碳毡隔膜SMFC能获得更高的总有机质去除率,其产电能达到376mV,高于普通的SMFC(332 mV)。利用电化学阻抗谱、细菌蛋白质浓度、扫描电镜分析表明,碳毡隔膜SMFC阴极的细菌能被显著抑制,因此减少了阴极的蛋白质浓度,降低了阴极的电荷转移内阻(从118.9Ω降到91.6Ω)。这种新的碳毡隔膜SMFC能通过减少沉积物中的有机质向上覆水中扩散而抑制阴极的生物膜生长,该技术有可能加快SMFC的推广和应用。湖泊底泥SMFC中,不同来源的沉积物对SMFC反硝化影响显著,有机质含量高的紫竹院的沉积物能使得SMFC对硝酸盐的去除率最高达到49.8%。不同阴极材料对SMFC反硝化有着明显的影响,金属铁片作为阴极时能使SMFC对硝酸盐的去除率达到54.3%。进一步对不同外电阻对SMFC反硝化进行研究,发现外电阻为0Ω,即形成短路时,SMFC能将所产生电能原位利用,获得最佳生物修复效果,对硝酸盐的去除率达到了78.8%。利用零价铁作为SMFC的阴极时生物修复效果最为明显,利用SEM、XRD、生物膜蛋白质浓度测定、16S rRNA分析、电化学表征对铁阴极生物修复机理进行分析。研究发现,在SMFC运行过程中,铁阴极会发生腐蚀,同时有细菌的附着和生长,它们在阴极表面组合成复合结构。在铁阴极SMFC运行25天后,铁阴极表面的氧化物为含有二价铁和三价铁的FeO,两种价态铁的循环更好地促进电子从阴极向硝酸盐转移。与对照组相比,SMFC阴极中自养反硝化细菌嗜水气单胞菌、铜绿假单胞菌在阴极上成为优势属,所占的相对丰度分别为60.24%、34.81%,而对照组是以铁氧化菌和铁还原菌为主。表明通过SMFC的作用可以使更多的细菌在铁阴极上附着生长,并使阴极菌群发生演化。SMFC阴极在生成铁氧化物和细菌的复合物后,能提高阴极氧化还原反应,降低阴极电荷转移内阻,提高阴极向硝酸盐的电子传递效率,进而提高SMFC的生物修复效果。本论文通过解决活性污泥中有机质向上覆水的扩散显著提高了SMFC的产电性能,同时通过对短路SMFC中铁阴极的研究,阐明了SMFC在生物修复中反应机理。SMFC是多学科交叉的技术,目前仍然处于实验室阶段,本研究对于通过SMFC技术解决全球存在的能源短缺和环境污染问题提供新的思路和方法,也将有助于该技术的进一步的推广和应用。

关键词：沉积物微生物燃料电池产电生物修复碳毡隔膜阴极