微生物電化學原理與應用

目錄
序
前言
第1章 微生物電化學系統(tǒng)導論 1
1.1 微生物電化學系統(tǒng)基本原理 1
1.2 MES研究與發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 MES結(jié)構(gòu)特點和限制因素 6
1.4 MES研究與分析方法 8
1.4.1 水質(zhì)分析 9
1.4.2 電化學分析 9
1.4.3 材料學分析 13
1.4.4 生物學分析 15
1.4.5 計算方法 17
1.5 小結(jié) 18
參考文獻 19
第2章 電化學活性微生物胞外電子傳遞過程與調(diào)控 22
2.1 電化學活性微生物概述 22
2.1.1 陽極電化學活性微生物 22
2.1.2 陰極電化學活性微生物 25
2.1.3 電化學活性微生物的分離與鑒定方法 25
2.2 胞內(nèi)呼吸鏈的電子傳遞過程 28
2.3 胞外電子傳遞機理 30
2.3.1 依靠細胞色素的直接電子傳遞 31
2.3.2 通過“納米導線”的直接電子傳遞 31
2.3.3 通過電子穿梭體進行的間接電子傳遞 32
2.4 微生物/電極間電子傳遞過程及調(diào)控 33
2.4.1 電極電勢調(diào)控微生物/電極間電子傳遞過程 33
2.4.2 電極修飾強化微生物/電極間電子傳遞過程 35
2.4.3 MWCNT強化微生物/電極間電子傳遞過程 38
2.4.4 碳量子點強化微生物/電極間電子傳遞過程 45
2.5 種間電子傳遞過程強化 53
2.5.1 微生物種間電子傳遞過程強化 53
2.5.2 MWCNT強化種間電子傳遞過程 55
2.5.3 活性污泥生物炭強化種間電子傳遞過程 60
2.6 小結(jié) 72
參考文獻 73
第3章 微生物電化學系統(tǒng)陽極材料 86
3.1 MES系統(tǒng)陽極材料選擇原則 86
3.1.1 陽極材料的生物相容性 87
3.1.2 陽極材料的導電性 87
3.1.3 陽極材料的成本分析 88
3.2 金屬陽極材料 88
3.3 碳基體陽極材料 90
3.3.1 平面碳基體材料 90
3.3.2 立體碳材料 91
3.3.3 三維蜂巢結(jié)構(gòu)陽極材料 92
3.4 陽極材料的預處理及表面修飾 92
3.4.1 陽極材料的預處理 93
3.4.2 陽極材料的表面修飾 103
3.5 納米陽極材料 105
3.5.1 碳納米陽極材料 105
3.5.2 納米聚合物和納米金屬修飾陽極材料 107
3.6 本章小結(jié) 108
參考文獻 109
第4章 微生物電化學系統(tǒng)陰極材料 115
4.1 氧還原陰極結(jié)構(gòu)與影響因素 115
4.1.1 陰極結(jié)構(gòu)及制備方法 116
4.1.2 催化層 117
4.1.3 集流體 119
4.1.4 基體層 122
4.1.5 擴散層 123
4.2 高電容碳氧還原催化劑 123
4.2.1 高電容碳粉陰極的MFC性能 124
4.2.2 高電容碳粉與Pt/C混合的催化效果 124
4.2.3 高電容陰極與Pt/C陰極的對比 124
4.3 摻氮碳粉氧還原催化劑 125
4.3.1 摻氮碳粉氧還原催化劑的制備 125
4.3.2 摻氮碳粉催化活性影響因素 126
4.3.3 摻氮碳粉氧還原催化劑的穩(wěn)定性研究 128
4.4 氮/微量鐵共摻雜碳催化劑 129
4.4.1 氮/微量鐵共摻雜碳催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和組成 130
4.4.2 氮/微量鐵共摻雜碳催化劑的氧還原催化活性 130
4.4.3 氮/微量鐵共摻雜碳催化劑在MFC中的產(chǎn)能活性 130
4.5 輥壓活性炭空氣陰極制備及效能研究 131
4.5.1 輥壓活性炭空氣陰極的制備方法 131
4.5.2 輥壓陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)化與氧還原效能 132
4.5.3 輥壓活性炭空氣陰極長期運行穩(wěn)定性 133
4.6 輥壓活性炭空氣陰極催化層孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化 134
4.6.1 催化層孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)控與制備 135
4.6.2 催化層孔隙結(jié)構(gòu)對陰極氧還原效能的影響 136
4.6.3 不同孔隙結(jié)構(gòu)陰極MFC產(chǎn)電性能評價 138
4.6.4 多孔電極穩(wěn)定性能評價 138
4.7 小結(jié) 138
參考文獻 139
第5章 生物陰極MES與效能分析 144
5.1 生物陰極研究進展 144
5.1.1 生物陰極的概念 144
5.1.2 生物陰極MES研究進展 145
5.2 生物陰極類型 146
5.2.1 氧還原生物陰極 146
5.2.2 無機鹽呼吸型生物陰極 150
5.2.3 重金屬還原生物陰極 154
5.2.4 生物合成型生物陰極 154
5.3 氧還原生物陰極氧氣利用效率研究 155
5.3.1 生物陰極氧氣利用效率 155
5.3.2 陰極載體疏水化處理提高氧氣利用率 158
5.4 硝化型生物陰極系統(tǒng)構(gòu)建與效能 161
5.4.1 硝化型生物陰極的啟動 162
5.4.2 硝化型生物陰極的電化學特性 163
5.4.3 硝化型生物陰極的氧還原反應和硝化反應 165
5.5 總結(jié) 167
參考文獻 168
第6章 有機物在微生物電化學系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化與過程分析 173
6.1 單一有機物在MFC中的轉(zhuǎn)化 174
6.1.1 葡萄糖在MFC中的轉(zhuǎn)化過程分析 175
6.1.2 五碳糖為底物的產(chǎn)電過程 176
6.1.3 氨基酸在MFC中的轉(zhuǎn)化 177
6.1.4 呼吸鏈抑制劑對微生物燃料電池中底物轉(zhuǎn)化的影響 183
6.2 生活污水在MFC中的降解轉(zhuǎn)化 188
6.2.1 生活污水MFC啟動 188
6.2.2 生活污水MFC電化學特性 189
6.2.3 COD去除效率及庫侖效率 189
6.3 啤酒廢水在微生物燃料電池中降解及產(chǎn)電 191
6.3.1 立方體MFC的接種和啟動 192
6.3.2 溫度對啤酒廢水MFC性能的影響規(guī)律 193
6.3.3 啤酒廢水濃度對MFC性能的影響規(guī)律 195
6.3.4 緩沖液強度對啤酒廢水MFC性能的影響規(guī)律 196
6.4 秸稈纖維素類物質(zhì)在瓶式MFC中的降解與轉(zhuǎn)化過程分析 197
6.4.1 纖維素降解菌在MFC中轉(zhuǎn)化秸稈產(chǎn)電的可行性分析 198
6.4.2 纖維素降解菌與產(chǎn)電菌聯(lián)合對秸稈類纖維素轉(zhuǎn)化 198
6.4.3 H-C與產(chǎn)電菌聯(lián)合固體秸稈轉(zhuǎn)化過程分析 199
6.5 秸稈青儲液在MFC中的轉(zhuǎn)化 202
6.5.1 青貯秸稈水洗液為底物的反應器性能 203
6.5.2 青貯秸稈直接為底物的反應器產(chǎn)電能力 205
6.6 尿液在微生物電化學系統(tǒng)中降解及產(chǎn)電 206
6.6.1 水解尿液中高氨氮對MFC性能的影響 207
6.6.2 MFC與氮氣吹脫組合去除尿液水解產(chǎn)生的氨氮 208
6.7 小結(jié) 212
參考文獻 213
第7章 微生物電化學脫鹽池 218
7.1 微生物脫鹽研究進展 219
7.2 微生物脫鹽池系統(tǒng)簡介 220
7.2.1 普通三室MDC反應器 220
7.2.2 堆棧式MDC反應器 220
7.3 影響MDC性能的關(guān)鍵因素 221
7.3.1 pH及鹽度變化對MDC性能的影響 221
7.3.2 離子交換膜的膜污染問題 222
7.3.3 反應器內(nèi)阻對MDC性能的影響 223
7.4 微生物脫鹽燃料電池構(gòu)型發(fā)展 224
7.4.1 內(nèi)循環(huán)rMDC反應器 224
7.4.2 連續(xù)流MDC反應器的構(gòu)建 228
7.4.3 微生物電容脫鹽燃料電池 231
7.4.4 微生物脫鹽燃料電池與電去離子技術(shù)耦合 233
7.4.5 微生物脫鹽池與正滲透的耦合 233
7.4.6 微生物脫鹽池與微生物電解池的耦合 234
7.4.7 微生物脫鹽池與電滲析的耦合 235
7.5 MDC功能擴展去除水中重金屬 236
7.6 MDC系統(tǒng)放大 239
7.7 小結(jié) 240
參考文獻 241
第8章 應用MES技術(shù)的資源/能源回收 244
8.1 基于MES原理的廢水處理產(chǎn)氫 245
8.1.1 MES產(chǎn)氫原理 245
8.1.2 MES產(chǎn)氫底物研究與發(fā)展現(xiàn)狀 246
8.2 基于MES原理的產(chǎn)甲烷過程 247
8.2.1 MES產(chǎn)甲烷研究與發(fā)展現(xiàn)狀 247
8.2.2 MES產(chǎn)甲烷系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素 248
8.3 電能原位利用回收水中單質(zhì)硫 251
8.3.1 兩段式硫回收MEC 251
8.3.2 MEC零能耗的硫化物去除及單質(zhì)硫回收 256
8.4 微生物電化學系統(tǒng)碳捕獲實現(xiàn)CO2固定 260
8.4.1 微生物碳捕獲電池技術(shù)用于CO2捕獲原理與進展 260
8.4.2 微生物反向電滲析電解池用于CO2還原研究進展 268
8.5 基于MES原理的重金屬回收 276
8.5.1 微生物電化學重金屬電沉積系統(tǒng) 277
8.5.2 微生物電化學重金屬沉淀系統(tǒng) 286
8.6 小結(jié) 296
參考文獻 297
第9章 水處理微生物電化學系統(tǒng)構(gòu)建與效能 302
9.1 用于水處理的MES研究進展 304
9.1.1 水處理微生物電化學系統(tǒng)基本構(gòu)型 304
9.1.2 與膜生物反應器耦合微生物電化學系統(tǒng) 306
9.1.3 與厭氧反應器耦合微生物電化學系統(tǒng) 307
9.2 折流板微生物電化學系統(tǒng)（ABMES） 309
9.2.1 ABMES系統(tǒng)的設計與構(gòu)建 310
9.2.2 ABMES系統(tǒng)的馴化與工藝運行影響因素 312
9.2.3 ABMES系統(tǒng)實際廢水處理效能 314
9.3 連續(xù)攪拌微生物電化學系統(tǒng)（CSMES） 318
9.3.1 CSMES系統(tǒng)設計與構(gòu)建 319
9.3.2 CSMES接種與啟動 320
9.3.3 CSMES影響因素與效能 320
9.3.4 CSMES處理啤酒廢水效能研究 321
9.3.5 CSMES微生物群落解析 323
9.4 微生物太陽能電化學系統(tǒng)設計與效能 327
9.4.1 光合作用在微生物電化學系統(tǒng)陽極的應用 327
9.4.2 光合作用在微生物電化學系統(tǒng)陰極的應用 329
9.4.3 光催化材料在微生物電化學系統(tǒng)中的應用 329
9.5 能量自持運行系統(tǒng)設計與運行 334
9.5.1 污水中蘊含能量分析 334
9.5.2 基于自持能量運行的污水處理系統(tǒng)研究進展 335
9.5.3 能量存儲方式與電路設計 336
9.5.4 系統(tǒng)運行影響因素 337
9.6 小結(jié) 338
參考文獻 338
第10章 系統(tǒng)放大關(guān)鍵技術(shù)與放大系統(tǒng)運行效能 345
10.1 微生物電化學系統(tǒng)構(gòu)型進展和演化 345
10.1.1 H型構(gòu)型 345
10.1.2 水平分層構(gòu)型 347
10.1.3 管狀構(gòu)型 349
10.1.4 平板式構(gòu)型 351
10.2 現(xiàn)有構(gòu)型的放大潛力和缺陷分析 353
10.2.1 “H”構(gòu)型 353
10.2.2 水平分層結(jié)構(gòu) 353
10.2.3 管狀構(gòu)型 354
10.2.