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微生物电化学原理与应用
作者：冯玉杰等
出版社：科学出版社
出版时间：2022-07-01
ISBN：9787030726544
定价：¥258.00
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内容简介
《微生物电化学原理与应用》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。《微生物电化学原理与应用》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。《微生物电化学原理与应用》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。
作者简介
暂缺《微生物电化学原理与应用》作者简介
目录
目录
序
前言
第1章 微生物电化学系统导论 1
1.1 微生物电化学系统基本原理 1
1.2 MES研究与发展现状 4
1.3 MES结构特点和限制因素 6
1.4 MES研究与分析方法 8
1.4.1 水质分析 9
1.4.2 电化学分析 9
1.4.3 材料学分析 13
1.4.4 生物学分析 15
1.4.5 计算方法 17
1.5 小结 18
参考文献 19
第2章 电化学活性微生物胞外电子传递过程与调控 22
2.1 电化学活性微生物概述 22
2.1.1 阳极电化学活性微生物 22
2.1.2 阴极电化学活性微生物 25
2.1.3 电化学活性微生物的分离与鉴定方法 25
2.2 胞内呼吸链的电子传递过程 28
2.3 胞外电子传递机理 30
2.3.1 依靠细胞色素的直接电子传递 31
2.3.2 通过“纳米导线”的直接电子传递 31
2.3.3 通过电子穿梭体进行的间接电子传递 32
2.4 微生物/电极间电子传递过程及调控 33
2.4.1 电极电势调控微生物/电极间电子传递过程 33
2.4.2 电极修饰强化微生物/电极间电子传递过程 35
2.4.3 MWCNT强化微生物/电极间电子传递过程 38
2.4.4 碳量子点强化微生物/电极间电子传递过程 45
2.5 种间电子传递过程强化 53
2.5.1 微生物种间电子传递过程强化 53
2.5.2 MWCNT强化种间电子传递过程 55
2.5.3 活性污泥生物炭强化种间电子传递过程 60
2.6 小结 72
参考文献 73
第3章 微生物电化学系统阳极材料 86
3.1 MES系统阳极材料选择原则 86
3.1.1 阳极材料的生物相容性 87
3.1.2 阳极材料的导电性 87
3.1.3 阳极材料的成本分析 88
3.2 金属阳极材料 88
3.3 碳基体阳极材料 90
3.3.1 平面碳基体材料 90
3.3.2 立体碳材料 91
3.3.3 三维蜂巢结构阳极材料 92
3.4 阳极材料的预处理及表面修饰 92
3.4.1 阳极材料的预处理 93
3.4.2 阳极材料的表面修饰 103
3.5 纳米阳极材料 105
3.5.1 碳纳米阳极材料 105
3.5.2 纳米聚合物和纳米金属修饰阳极材料 107
3.6 本章小结 108
参考文献 109
第4章 微生物电化学系统阴极材料 115
4.1 氧还原阴极结构与影响因素 115
4.1.1 阴极结构及制备方法 116
4.1.2 催化层 117
4.1.3 集流体 119
4.1.4 基体层 122
4.1.5 扩散层 123
4.2 高电容碳氧还原催化剂 123
4.2.1 高电容碳粉阴极的MFC性能 124
4.2.2 高电容碳粉与Pt/C混合的催化效果 124
4.2.3 高电容阴极与Pt/C阴极的对比 124
4.3 掺氮碳粉氧还原催化剂 125
4.3.1 掺氮碳粉氧还原催化剂的制备 125
4.3.2 掺氮碳粉催化活性影响因素 126
4.3.3 掺氮碳粉氧还原催化剂的稳定性研究 128
4.4 氮/微量铁共掺杂碳催化剂 129
4.4.1 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的微观结构和组成 130
4.4.2 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的氧还原催化活性 130
4.4.3 氮/微量铁共掺杂碳催化剂在MFC中的产能活性 130
4.5 辊压活性炭空气阴极制备及效能研究 131
4.5.1 辊压活性炭空气阴极的制备方法 131
4.5.2 辊压阴极结构优化与氧还原效能 132
4.5.3 辊压活性炭空气阴极长期运行稳定性 133
4.6 辊压活性炭空气阴极催化层孔隙结构优化 134
4.6.1 催化层孔隙结构调控与制备 135
4.6.2 催化层孔隙结构对阴极氧还原效能的影响 136
4.6.3 不同孔隙结构阴极MFC产电性能评价 138
4.6.4 多孔电极稳定性能评价 138
4.7 小结 138
参考文献 139
第5章 生物阴极MES与效能分析 144
5.1 生物阴极研究进展 144
5.1.1 生物阴极的概念 144
5.1.2 生物阴极MES研究进展 145
5.2 生物阴极类型 146
5.2.1 氧还原生物阴极 146
5.2.2 无机盐呼吸型生物阴极 150
5.2.3 重金属还原生物阴极 154
5.2.4 生物合成型生物阴极 154
5.3 氧还原生物阴极氧气利用效率研究 155
5.3.1 生物阴极氧气利用效率 155
5.3.2 阴极载体疏水化处理提高氧气利用率 158
5.4 硝化型生物阴极系统构建与效能 161
5.4.1 硝化型生物阴极的启动 162
5.4.2 硝化型生物阴极的电化学特性 163
5.4.3 硝化型生物阴极的氧还原反应和硝化反应 165
5.5 总结 167
参考文献 168
第6章 有机物在微生物电化学系统内转化与过程分析 173
6.1 单一有机物在MFC中的转化 174
6.1.1 葡萄糖在MFC中的转化过程分析 175
6.1.2 五碳糖为底物的产电过程 176
6.1.3 氨基酸在MFC中的转化 177
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 183
6.2 生活污水在MFC中的降解转化 188
6.2.1 生活污水MFC启动 188
6.2.2 生活污水MFC电化学特性 189
6.2.3 COD去除效率及库仑效率 189
6.3 啤酒废水在微生物燃料电池中降解及产电 191
6.3.1 立方体MFC的接种和启动 192
6.3.2 温度对啤酒废水MFC性能的影响规律 193
6.3.3 啤酒废水浓度对MFC性能的影响规律 195
6.3.4 缓冲液强度对啤酒废水MFC性能的影响规律 196
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 197
6.4.1 纤维素降解菌在MFC中转化秸秆产电的可行性分析 198
6.4.2 纤维素降解菌与产电菌联合对秸秆类纤维素转化 198
6.4.3 H-C与产电菌联合固体秸秆转化过程分析 199
6.5 秸秆青储液在MFC中的转化 202
6.5.1 青贮秸秆水洗液为底物的反应器性能 203
6.5.2 青贮秸秆直接为底物的反应器产电能力 205
6.6 尿液在微生物电化学系统中降解及产电 206
6.6.1 水解尿液中高氨氮对MFC性能的影响 207
6.6.2 MFC与氮气吹脱组合去除尿液水解产生的氨氮 208
6.7 小结 212
参考文献 213
第7章 微生物电化学脱盐池 218
7.1 微生物脱盐研究进展 219
7.2 微生物脱盐池系统简介 220
7.2.1 普通三室MDC反应器 220
7.2.2 堆栈式MDC反应器 220
7.3 影响MDC性能的关键因素 221
7.3.1 pH及盐度变化对MDC性能的影响 221
7.3.2 离子交换膜的膜污染问题 222
7.3.3 反应器内阻对MDC性能的影响 223
7.4 微生物脱盐燃料电池构型发展 224
7.4.1 内循环rMDC反应器 224
7.4.2 连续流MDC反应器的构建 228
7.4.3 微生物电容脱盐燃料电池 231
7.4.4 微生物脱盐燃料电池与电去离子技术耦合 233
7.4.5 微生物脱盐池与正渗透的耦合 233
7.4.6 微生物脱盐池与微生物电解池的耦合 234
7.4.7 微生物脱盐池与电渗析的耦合 235
7.5 MDC功能扩展去除水中重金属 236
7.6 MDC系统放大 239
7.7 小结 240
参考文献 241
第8章 应用MES技术的资源/能源回收 244
8.1 基于MES原理的废水处理产氢 245
8.1.1 MES产氢原理 245
8.1.2 MES产氢底物研究与发展现状 246
8.2 基于MES原理的产甲烷过程 247
8.2.1 MES产甲烷研究与发展现状 247
8.2.2 MES产甲烷系统关键影响因素 248
8.3 电能原位利用回收水中单质硫 251
8.3.1 两段式硫回收MEC 251
8.3.2 MEC零能耗的硫化物去除及单质硫回收 256
8.4 微生物电化学系统碳捕获实现CO2固定 260
8.4.1 微生物碳捕获电池技术用于CO2捕获原理与进展 260
8.4.2 微生物反向电渗析电解池用于CO2还原研究进展 268
8.5 基于MES原理的重金属回收 276
8.5.1 微生物电化学重金属电沉积系统 277
8.5.2 微生物电化学重金属沉淀系统 286
8.6 小结 296
参考文献 297
第9章 水处理微生物电化学系统构建与效能 302
9.1 用于水处理的MES研究进展 304
9.1.1 水处理微生物电化学系统基本构型 304
9.1.2 与膜生物反应器耦合微生物电化学系统 306
9.1.3 与厌氧反应器耦合微生物电化学系统 307
9.2 折流板微生物电化学系统（ABMES） 309
9.2.1 ABMES系统的设计与构建 310
9.2.2 ABMES系统的驯化与工艺运行影响因素 312
9.2.3 ABMES系统实际废水处理效能 314
9.3 连续搅拌微生物电化学系统（CSMES） 318
9.3.1 CSMES系统设计与构建 319
9.3.2 CSMES接种与启动 320
9.3.3 CSMES影响因素与效能 320
9.3.4 CSMES处理啤酒废水效能研究 321
9.3.5 CSMES微生物群落解析 323
9.4 微生物太阳能电化学系统设计与效能 327
9.4.1 光合作用在微生物电化学系统阳极的应用 327
9.4.2 光合作用在微生物电化学系统阴极的应用 329
9.4.3 光催化材料在微生物电化学系统中的应用 329
9.5 能量自持运行系统设计与运行 334
9.5.1 污水中蕴含能量分析 334
9.5.2 基于自持能量运行的污水处理系统研究进展 335
9.5.3 能量存储方式与电路设计 336
9.5.4 系统运行影响因素 337
9.6 小结 338
参考文献 338
第10章 系统放大关键技术与放大系统运行效能 345
10.1 微生物电化学系统构型进展和演化 345
10.1.1 H型构型 345
10.1.2 水平分层构型 347
10.1.3 管状构型 349
10.1.4 平板式构型 351
10.2 现有构型的放大潜力和缺陷分析 353
10.2.1 “H”构型 353
10.2.2 水平分层结构 353
10.2.3 管状构型 354
10.2.
序
前言
第1章 微生物电化学系统导论 1
1.1 微生物电化学系统基本原理 1
1.2 MES研究与发展现状 4
1.3 MES结构特点和限制因素 6
1.4 MES研究与分析方法 8
1.4.1 水质分析 9
1.4.2 电化学分析 9
1.4.3 材料学分析 13
1.4.4 生物学分析 15
1.4.5 计算方法 17
1.5 小结 18
参考文献 19
第2章 电化学活性微生物胞外电子传递过程与调控 22
2.1 电化学活性微生物概述 22
2.1.1 阳极电化学活性微生物 22
2.1.2 阴极电化学活性微生物 25
2.1.3 电化学活性微生物的分离与鉴定方法 25
2.2 胞内呼吸链的电子传递过程 28
2.3 胞外电子传递机理 30
2.3.1 依靠细胞色素的直接电子传递 31
2.3.2 通过“纳米导线”的直接电子传递 31
2.3.3 通过电子穿梭体进行的间接电子传递 32
2.4 微生物/电极间电子传递过程及调控 33
2.4.1 电极电势调控微生物/电极间电子传递过程 33
2.4.2 电极修饰强化微生物/电极间电子传递过程 35
2.4.3 MWCNT强化微生物/电极间电子传递过程 38
2.4.4 碳量子点强化微生物/电极间电子传递过程 45
2.5 种间电子传递过程强化 53
2.5.1 微生物种间电子传递过程强化 53
2.5.2 MWCNT强化种间电子传递过程 55
2.5.3 活性污泥生物炭强化种间电子传递过程 60
2.6 小结 72
参考文献 73
第3章 微生物电化学系统阳极材料 86
3.1 MES系统阳极材料选择原则 86
3.1.1 阳极材料的生物相容性 87
3.1.2 阳极材料的导电性 87
3.1.3 阳极材料的成本分析 88
3.2 金属阳极材料 88
3.3 碳基体阳极材料 90
3.3.1 平面碳基体材料 90
3.3.2 立体碳材料 91
3.3.3 三维蜂巢结构阳极材料 92
3.4 阳极材料的预处理及表面修饰 92
3.4.1 阳极材料的预处理 93
3.4.2 阳极材料的表面修饰 103
3.5 纳米阳极材料 105
3.5.1 碳纳米阳极材料 105
3.5.2 纳米聚合物和纳米金属修饰阳极材料 107
3.6 本章小结 108
参考文献 109
第4章 微生物电化学系统阴极材料 115
4.1 氧还原阴极结构与影响因素 115
4.1.1 阴极结构及制备方法 116
4.1.2 催化层 117
4.1.3 集流体 119
4.1.4 基体层 122
4.1.5 扩散层 123
4.2 高电容碳氧还原催化剂 123
4.2.1 高电容碳粉阴极的MFC性能 124
4.2.2 高电容碳粉与Pt/C混合的催化效果 124
4.2.3 高电容阴极与Pt/C阴极的对比 124
4.3 掺氮碳粉氧还原催化剂 125
4.3.1 掺氮碳粉氧还原催化剂的制备 125
4.3.2 掺氮碳粉催化活性影响因素 126
4.3.3 掺氮碳粉氧还原催化剂的稳定性研究 128
4.4 氮/微量铁共掺杂碳催化剂 129
4.4.1 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的微观结构和组成 130
4.4.2 氮/微量铁共掺杂碳催化剂的氧还原催化活性 130
4.4.3 氮/微量铁共掺杂碳催化剂在MFC中的产能活性 130
4.5 辊压活性炭空气阴极制备及效能研究 131
4.5.1 辊压活性炭空气阴极的制备方法 131
4.5.2 辊压阴极结构优化与氧还原效能 132
4.5.3 辊压活性炭空气阴极长期运行稳定性 133
4.6 辊压活性炭空气阴极催化层孔隙结构优化 134
4.6.1 催化层孔隙结构调控与制备 135
4.6.2 催化层孔隙结构对阴极氧还原效能的影响 136
4.6.3 不同孔隙结构阴极MFC产电性能评价 138
4.6.4 多孔电极稳定性能评价 138
4.7 小结 138
参考文献 139
第5章 生物阴极MES与效能分析 144
5.1 生物阴极研究进展 144
5.1.1 生物阴极的概念 144
5.1.2 生物阴极MES研究进展 145
5.2 生物阴极类型 146
5.2.1 氧还原生物阴极 146
5.2.2 无机盐呼吸型生物阴极 150
5.2.3 重金属还原生物阴极 154
5.2.4 生物合成型生物阴极 154
5.3 氧还原生物阴极氧气利用效率研究 155
5.3.1 生物阴极氧气利用效率 155
5.3.2 阴极载体疏水化处理提高氧气利用率 158
5.4 硝化型生物阴极系统构建与效能 161
5.4.1 硝化型生物阴极的启动 162
5.4.2 硝化型生物阴极的电化学特性 163
5.4.3 硝化型生物阴极的氧还原反应和硝化反应 165
5.5 总结 167
参考文献 168
第6章 有机物在微生物电化学系统内转化与过程分析 173
6.1 单一有机物在MFC中的转化 174
6.1.1 葡萄糖在MFC中的转化过程分析 175
6.1.2 五碳糖为底物的产电过程 176
6.1.3 氨基酸在MFC中的转化 177
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 183
6.2 生活污水在MFC中的降解转化 188
6.2.1 生活污水MFC启动 188
6.2.2 生活污水MFC电化学特性 189
6.2.3 COD去除效率及库仑效率 189
6.3 啤酒废水在微生物燃料电池中降解及产电 191
6.3.1 立方体MFC的接种和启动 192
6.3.2 温度对啤酒废水MFC性能的影响规律 193
6.3.3 啤酒废水浓度对MFC性能的影响规律 195
6.3.4 缓冲液强度对啤酒废水MFC性能的影响规律 196
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 197
6.4.1 纤维素降解菌在MFC中转化秸秆产电的可行性分析 198
6.4.2 纤维素降解菌与产电菌联合对秸秆类纤维素转化 198
6.4.3 H-C与产电菌联合固体秸秆转化过程分析 199
6.5 秸秆青储液在MFC中的转化 202
6.5.1 青贮秸秆水洗液为底物的反应器性能 203
6.5.2 青贮秸秆直接为底物的反应器产电能力 205
6.6 尿液在微生物电化学系统中降解及产电 206
6.6.1 水解尿液中高氨氮对MFC性能的影响 207
6.6.2 MFC与氮气吹脱组合去除尿液水解产生的氨氮 208
6.7 小结 212
参考文献 213
第7章 微生物电化学脱盐池 218
7.1 微生物脱盐研究进展 219
7.2 微生物脱盐池系统简介 220
7.2.1 普通三室MDC反应器 220
7.2.2 堆栈式MDC反应器 220
7.3 影响MDC性能的关键因素 221
7.3.1 pH及盐度变化对MDC性能的影响 221
7.3.2 离子交换膜的膜污染问题 222
7.3.3 反应器内阻对MDC性能的影响 223
7.4 微生物脱盐燃料电池构型发展 224
7.4.1 内循环rMDC反应器 224
7.4.2 连续流MDC反应器的构建 228
7.4.3 微生物电容脱盐燃料电池 231
7.4.4 微生物脱盐燃料电池与电去离子技术耦合 233
7.4.5 微生物脱盐池与正渗透的耦合 233
7.4.6 微生物脱盐池与微生物电解池的耦合 234
7.4.7 微生物脱盐池与电渗析的耦合 235
7.5 MDC功能扩展去除水中重金属 236
7.6 MDC系统放大 239
7.7 小结 240
参考文献 241
第8章 应用MES技术的资源/能源回收 244
8.1 基于MES原理的废水处理产氢 245
8.1.1 MES产氢原理 245
8.1.2 MES产氢底物研究与发展现状 246
8.2 基于MES原理的产甲烷过程 247
8.2.1 MES产甲烷研究与发展现状 247
8.2.2 MES产甲烷系统关键影响因素 248
8.3 电能原位利用回收水中单质硫 251
8.3.1 两段式硫回收MEC 251
8.3.2 MEC零能耗的硫化物去除及单质硫回收 256
8.4 微生物电化学系统碳捕获实现CO2固定 260
8.4.1 微生物碳捕获电池技术用于CO2捕获原理与进展 260
8.4.2 微生物反向电渗析电解池用于CO2还原研究进展 268
8.5 基于MES原理的重金属回收 276
8.5.1 微生物电化学重金属电沉积系统 277
8.5.2 微生物电化学重金属沉淀系统 286
8.6 小结 296
参考文献 297
第9章 水处理微生物电化学系统构建与效能 302
9.1 用于水处理的MES研究进展 304
9.1.1 水处理微生物电化学系统基本构型 304
9.1.2 与膜生物反应器耦合微生物电化学系统 306
9.1.3 与厌氧反应器耦合微生物电化学系统 307
9.2 折流板微生物电化学系统（ABMES） 309
9.2.1 ABMES系统的设计与构建 310
9.2.2 ABMES系统的驯化与工艺运行影响因素 312
9.2.3 ABMES系统实际废水处理效能 314
9.3 连续搅拌微生物电化学系统（CSMES） 318
9.3.1 CSMES系统设计与构建 319
9.3.2 CSMES接种与启动 320
9.3.3 CSMES影响因素与效能 320
9.3.4 CSMES处理啤酒废水效能研究 321
9.3.5 CSMES微生物群落解析 323
9.4 微生物太阳能电化学系统设计与效能 327
9.4.1 光合作用在微生物电化学系统阳极的应用 327
9.4.2 光合作用在微生物电化学系统阴极的应用 329
9.4.3 光催化材料在微生物电化学系统中的应用 329
9.5 能量自持运行系统设计与运行 334
9.5.1 污水中蕴含能量分析 334
9.5.2 基于自持能量运行的污水处理系统研究进展 335
9.5.3 能量存储方式与电路设计 336
9.5.4 系统运行影响因素 337
9.6 小结 338
参考文献 338
第10章 系统放大关键技术与放大系统运行效能 345
10.1 微生物电化学系统构型进展和演化 345
10.1.1 H型构型 345
10.1.2 水平分层构型 347
10.1.3 管状构型 349
10.1.4 平板式构型 351
10.2 现有构型的放大潜力和缺陷分析 353
10.2.1 “H”构型 353
10.2.2 水平分层结构 353
10.2.3 管状构型 354
10.2.
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