微生物电化学原理与应用

本书全面介绍了微生物电化学相关理论与技术，综合论述了微生物电化学技术在环境科学与工程领域的研究进展，系统总结了哈尔滨工业大学研究团队在该领域近20年的研究成果。全书分为生物学原理与机制、电化学界面、功能拓展、系统构建四部分，共12章。全书从电能生物膜构建、功能材料与界面反应过程、微生物电化学系统中污染物转化及能源化、水处理微生物电化学系统设计与放大、土壤修复系统设计与效能评估等方面使读者深入了解微生物电化学理论与技术。本书可供从事水处理科学与技术的研究人员、高等学校师生、企业技术工作者及其他相关人员阅读和参考。

序
前言
第1章 微生物电化学系统导论
1.1 微生物电化学系统基本原理
1.2 1.2 MES研究与发展现状
1.3 MES结构特点和因素
1.4 MES 研究与分析方法
1.4.1 水质分析
1.4.2 电化学分析
1.4.3 材料学分析
1.4.4 生物学分析
1.4.5 计算方法
1.5 小结
参考文献
第2章 电化学活性微生物胞外电子传递过程与调控
2.1 电化学活性微生物概述
2.1.1 阳极电化学活性微生物
2.1.2 阴极电化学活性微生物
2.1.3 电化学活性微生物的分离与鉴定方法
2.2 胞内呼吸链的电子传递过程
2.3 胞外电子传递机理
2.3.1 依靠细胞色素的直接电子传递
2.3.2 通过“纳米导线”的直接电子传递
2.3.3 通过电子穿梭体进行的间接电子传递
2.4 微生物/电极间电子传递过程及调控微生物电化学原理与应用
2.4.1 电极电势调控微生物/电极间电子传递过程
2.4.2 电极修饰强化微生物/电极间电子传递过程
2.4.3 MWCNT强化微生物/电极间电子传递过程
2.4.4 碳量子点强化微生物/电极间电子传递过程
2.5 种间电子传递过程强化
2.5.1 微生物种间电子传递过程强化
2.5.2 MWCNT强化种间电子传递过程
2.5.3 活性污泥生物炭强化种间电子传递过程
2.6 小结
参考文献
第3章 微生物电化学系统阳极材料
3.1 MES系统阳极材料选择原则
3.1.1 阳极材料的生物相容性
3.1.2 阳极材料的导电性
3.1.3 阳极材料的成本分析
3.2 金属阳极材料
3.3 碳基体阳极材料
3.3.1 平面碳基体材料
3.3.2 立体碳材料
3.3.3 三维蜂巢结构阳极材料
3.4 阳极材料的预处理及表面修饰
3.4.1 阳极材料的预处理
3.4.2 阳极材料的表面修饰
3.5 纳米阳极材料
3.5.1 碳纳米阳极材料
3.5.2 纳米聚合物和纳米金属修饰阳极材料
3.6 本章小结
参考文献
第4章 微生物电化学系统阴极材料
4.1 氧还原阴极结构与影响因素
4.1.1 阴极结构及制备方法
4.1.2 催化层
4.1.3 集流体
4.1.4 基体层
4.1.5 扩散层
4.2 高电容碳氧还原催化剂
4.2.1 高电容碳粉阴极的MFC性能
4.2.2 高电容碳粉与Pt/C混合的催化效果
4.2.3 高电容阴极与Pt/C阴极的对比
4.3 掺氮碳粉氧还原催化剂
4.3.1 掺氮碳粉氧还原催化剂的制备
4.3.2 掺氮碳粉催化活性影响因素
4.3.3 掺氮碳粉氧还原催化剂的稳定性研究
4.4 氮/微量铁共掺杂碳催化剂
4.4.1 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的微观结构和组成
4.4.2 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的氧还原催化活性
4.4.3 氮/微量铁共掺杂碳催化剂在MFC中的产能活性
4.5 辊压活性炭空气阴极制备及效能研究
4.5.1 辊压活性炭空气阴极的制备方法
4.5.2 辊压阴极结构优化与氧还原效能
4.5.3 辊压活性炭空气阴极长期运行稳定性
4.6 辊压活性炭空气阴极催化层孔隙结构优化
4.6.1 催化层孔隙结构调控与制备
4.6.2 催化层孔隙结构对阴极氧还原效能的影响
4.6.3 不同孔隙结构阴极MFC产电性能评价
4.6.4 多孔电极稳定性能评价
4.7 小结
参考文献
第5章 生物阴极 MES 与效能分析
5.1 生物阴极研究进展
5.1.1 生物阴极的概念
5.1.2 生物阴极MES研究进展
5.2 生物阴极类型
5.2.1 氧还原生物阴极
5.2.2 无机盐呼吸型生物阴极
5.2.3 重金属还原生物阴极
5.2.4 生物合成型生物阴极
5.3 氧还原生物阴极氧气利用效率研究
5.3.1 生物阴极氧气利用效率
5.3.2 阴极载体疏水化处理提高氧气利用率
5.4 硝化型生物阴极系统构建与效能
5.4.1 硝化型生物阴极的启动
5.4.2 硝化型生物阴极的电化学特性
5.4.3 硝化型生物阴极的氧还原反应和硝化反应
5.5 总结
参考文献
第6章 有机物在微生物电化学系统内转化与过程分析
6.1 单一有机物在 MFC 中的转化
6.1.1 葡萄糖在MFC中的转化过程分析
6.1.2 五碳糖为底物的产电过程
6.1.3 氨基酸在MFC中的转化
6.1.4 呼吸链抑制剂对微生物燃料电池中底物转化的影响
6.2 生活污水在MFC中的降解转化
6.2.1 生活污水MFC启动
6.2.2 生活污水MFC电化学特性
6.2.3 COD去除效率及库仑效率
6.3 啤酒废水在微生物燃料电池中降解及产电
6.3.1 立方体MFC的接种和启动
6.3.2 温度对啤酒废水MFC性能的影响规律
6.3.3 啤酒废水浓度对MFC性能的影响规律
6.3.4 缓冲液强度对啤酒废水MFC性能的影响规律
6.4 秸秆纤维素类物质在瓶式MFC中的降解与转化过程分析
6.4.1 纤维素降解菌在MFC中转化秸秆产电的可行性分析
6.4.2 纤维素降解菌与产电菌联合对秸秆类纤维素转化
6.4.3 H-C与产电菌联合固体秸秆转化过程分析
6.5 秸秆青储液在MFC中的转化
6.5.1 青贮秸秆水洗液为底物的反应器性能
6.5.2 青贮秸秆直接为底物的反应器产电能力
6.6 尿液在微生物电化学系统中降解及产电
6.6.1 水解尿液中高氨氮对MFC性能的影响
6.6.2 MFC与氮气吹脱组合去除尿液水解产生的氨氮
6.7 小结
参考文献
第7章 微生物电化学脱盐池
7.1 微生物脱盐研究进展
7.2 微生物脱盐池系统简介
7.2.1 普通三室MDC反应器
7.2.2 堆栈式MDC反应器
7.3 影响MDC性能的关键因素
7.3.1 pH及盐度变化对MDC性能的影响
7.3.2 离子交换膜的膜污染问题
7.3.3 反应器内阻对MDC性能的影响
7.4 微生物脱盐燃料电池构型发展
7.4.1 内循环rMDC反应器
7.4.2 连续流MDC反应器的构建
7.4.3 微生物电容脱盐燃料电池
7.4.4 微生物脱盐燃料电池与电去离子技术耦合
7.4.5 微生物脱盐池与正渗透的耦合
7.4.6 微生物脱盐池与微生物电解池的耦合
7.4.7 微生物脱盐池与电渗析的耦合
7.5 MDC功能扩展去除水中重金属
7.6 MDC 系统放大
7.7 小结
参考文献
第8章 应用 MES 技术的资源/能源回收
8.1 基于MES原理的废水处理产氢
8.1.1 MES产氢原理
8.1.2 MES产氢底物研究与发展现状
8.2 基于MES原理的产甲烷过程
8.2.1 MES产甲烷研究与发展现状
8.2.2 MES产甲烷系统关键影响因素
8.3 电能原位利用回收水中单质硫
8.3.1 两段式硫回收MEC
8.3.2 MEC零能耗的硫化物去除及单质硫回收
8.4 微生物电化学系统碳捕获实现CO2固定
8.4.1 微生物碳捕获电池技术用于CO2捕获原理与进展
8.4.2 微生物反向电渗析电解池用于CO2还原研究进展
8.5 基于MES原理的重金属回收
8.5.1 微生物电化学重金属电沉积系统
8.5.2 微生物电化学重金属沉淀系统
8.6 小结
参考文献
第9章 水处理微生物电化学系统构建与效能
9.1 用于水处理的MES研究进展
9.1.1 水处理微生物电化学系统基本构型
9.1.2 与膜生物反应器耦合微生物电化学系统
9.1.3 与厌氧反应器耦合微生物电化学系统
9.2 折流板微生物电化学系统（ABMES）
9.2.1 ABMES系统的设计与构建
9.2.2 ABMES系统的驯化与工艺运行影响因素
9.2.3 ABMES系统实际废水处理效能
9.3 连续搅拌微生物电化学系统（CSMES）
9.3.1 CSMES系统设计与构建
9.3.2 CSMES接种与启动
9.3.3 CSMES影响因素与效能
9.3.4 CSMES处理啤酒废水效能研究
9.3.5 CSMES微生物群落解析
9.4 微生物太阳能电化学系统设计与效能
9.4.1 光合作用在微生物电化学系统阳极的应用
9.4.2 光合作用在微生物电化学系统阴极的应用
9.4.3 光催化材料在微生物电化学系统中的应用
9.5 能量自持运行系统设计与运行
9.5.1 污水中蕴含能量分析
9.5.2 基于自持能量运行的污水处理系统研究进展
9.5.3 能量存储方式与电路设计
9.5.4 系统运行影响因素
9.6 小结
参考文献
第10章 系统放大关键技术与放大系统运行效能
10.1 微生物电化学系统构型进展和演化
10.1.1 H 型构型
10.1.2 水平分层构型
10.1.3 管状构型
10.1.4 平板式构型
10.2 现有构型的放大潜力和缺陷分析
10.2.1 “H”构型
10.2.2 水平分层结构
10.2.3 管状构型
10.2.4 平板式构型
10.3 大型化系统标准化的评价方法
10.3.1 能量效率和库仑效率
10.3.2 MES作为产能单元的其他评价参数
10.4 平推流平板式MES的构建与运行
10.4.1 平推流放大系统的结构设计
10.4.2 SHMES的能量输出性能
10.4.3 SHMES污染物去除性能
10.4.4 尺寸效应和放大化MES的基本特征
10.4.5 大型化过程中影响因素总结
10.5 电极分置的插入式MES构建和运行
10.5.1 电极分置的插入式构型设计
10.5.2 单模块系统的接种和驯化
10.5.3 支撑体结构对空气阴极性能的影响
10.5.4 单模块系统污水处理和能量回收性能
10.5.5 插入式构型对比优势和能量输出性能评价
10.6 多模块插入式MES构建和运行
10.6.1 多模块堆栈系统、联接模式和电极组合形式设计
10.6.2 多模块堆栈系统运行和模块间联接方式
10.6.3 联接模式对污水处理性能的影响
10.6.4 联接模式和电极组合方式对系统能量输出性能的影响
10.6.5 电极组合方式对阳极电子传递性能的影响
10.6.6 多模块MES堆栈系统很优运行模式
10.7 小结
参考文献
第11章 沉积物微生物电化学系统与效能
11.1 水环境水生态主要修复技术
11.1.1 物理/化学修复法
11.1.2 生物修复法
11.2 沉积物微生物电化学系统结构与发展
11.2.1 沉积物微生物电化学系统分类
11.2.2 提高SMES效能的方法
11.3 空气阴极SMES系统构建及水体/沉积物修复效能
11.3.1 空气阴极SMES水体修复效能
11.3.2 空气阴极SMES系统水体/沉积物修复效能
11.4 生物阴极SMES系统构建及水体/沉积物修复效能
11.4.1 生物阴极SMES系统构建
11.4.2 生物阴极沉积物微生物电化学系统效能
11.4.3 生物阴极SMES污染物去除效能
11.5 沉水植物耦合沉积物微生物电化学系统与效能
11.5.1 沉水植物强化电化学性能
11.5.2 沉水植物强化污染物去除转化
11.5.3 沉水植物强化微生物富集
11.6 挺水植物耦合沉积物微生物电化学系统效能
11.6.1 系统构建
11.6.2 植物PBES运行效能
11.6.3 中试放大系统及实际污水处理效能
11.7 总结
参考文献
第12章 有机污染土壤修复及效能分析
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