基于环境生物电化学的废物能源化技术

本书对环境生物电化学的几个主要知识领域做了阐述，包括生物电化学概述、生物电化学系统阳极微生物、体现潜在应用领域和方向的生物氧化电子供体、微生物燃料电池阴极催化剂、生物电化学系统电荷转移机制、生物电化学系统构型以及目前生物电化学系统在工程中的应用。

本书具有较强的技术性和针对性，可供从事微生物燃料电池、电化学、废水有机物处理领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校化学工程、环境工程、能源工程及相关专业师生参阅。

第1章绪论001

1.1生物电化学废水处理技术001

1.1.1生物电化学概述001

1.1.2微生物燃料电池的技术原理002

1.1.3微生物燃料电池的特点002

1.2生物电化学的发展历程004

1.3微生物燃料电池的限制性因素004

1.4生物电化学的分类与应用前景005

1.4.1生物电化学的分类005

1.4.2微生物电化学应用前景006

1.5本章小结009

参考文献009



第2章阳极微生物012

2.1产电微生物的概述013

2.1.1产电微生物的来源及意义013

2.1.2产电微生物的获取方式014

2.1.3微生物的遗传育种017

2.1.4产电微生物的生理生化特性019

2.2产电微生物的分类022

2.2.1细菌类022

2.2.2古菌037

2.2.3真核生物038

2.2.4产电微生物纯种的改造041

2.2.5产电微生物群落分析043

2.2.6产氢微生物048

2.3本章小结050

参考文献050



第3章电子供体059

3.1阳极电子产生060

3.1.1电子产生机制060

3.1.2电子传递机制060

3.1.3存在的问题与发展方向061

3.2生物电化学系统污染物降解的机理062

3.2.1更有效的微生物代谢模式062

3.2.2电极呼吸生物膜具有更高的代谢活性063

3.3电子供体分类063

3.3.1有机污染物电子供体064

3.3.2难降解有机物电子供体067

3.3.3有明显生物毒性有机污染物电子供体075

3.3.4抗生素类有毒污染物电子供体078

3.4以有机污染物为电子供体时产能的主要影响因素084

3.4.1微生物种属的影响084

3.4.2电池电极材料的影响087

3.4.3电极液089

3.4.4质子传递090

3.4.5阳极室的操作条件090

3.4.6氧还原090

3.4.7阳极和阴极的超电势091

3.4.8内阻与外阻091

3.4.9MFC处理难降解有机废水的COD去除效果092

3.5本章小结092

参考文献094



第4章阴极催化剂097

4.1概述097

4.1.1生物电化学系统阴极反应098

4.1.2电化学催化与生物电化学催化099

4.1.3阴极催化剂的制备101

4.1.4阴极催化剂的发展前景101

4.2金属阴极催化剂102

4.2.1贵金属铂（Pt）催化剂及其合金102

4.2.2过渡金属合金及氧化物催化剂104

4.2.3金属大环化合物106

4.2.4金属-有机骨架（MOFs）催化剂111

4.3非金属阴极催化剂116

4.3.1导电聚合物催化剂116

4.3.2碳纳米管（CNTs）催化剂118

4.3.3改性石墨烯（MG）催化剂124

4.3.4生物催化剂128

4.4本章小结132

参考文献132



第5章生物电化学系统电荷转移机制141

5.1电子传递基本知识141

5.1.1原理141

5.1.2产电微生物144

5.2胞内电子传递148

5.2.1呼吸作用148

5.2.2发酵作用152

5.3胞外电子传递153

5.3.1电子传递途径153

5.3.2影响因素161

5.4质子迁移163

5.5阴极接收电子164

5.6本章小结167

参考文献168



第6章生物电化学系统构型174

6.1生物电化学系统构型原理176

6.1.1微生物燃料电池177

6.1.2微生物电解池181

6.2生物电化学系统基础构型183

6.2.1单电极室结构184

6.2.2多电极室结构185

6.2.3其他结构186

6.3增强反应室构型187

6.3.1微生物脱盐电池187

6.3.2微生物电解脱盐电池189

6.3.3微生物产酸产碱脱盐电池189

6.4微型传感器构型190

6.4.1生化需氧量监测191

6.4.2乳酸检测195

6.4.3毒性检查195

6.4.4微生物数量检测196

6.4.5微生物活性检测197

6.4.6抗生素检测197

6.4.7对酸的检测197

6.5串联和并联MFC构型197

6.6水平分层构型200

6.7微型化MFC举例201

6.8植物-沉积物微生物燃料电池（P-SMFC）构型202

6.9中室MFC构型206

6.10MFC-MEC构型208

6.11本章小结210

参考文献211



第7章生物电化学系统的应用223

7.1废水处理225

7.2生物电合成230

7.2.1甲烷230

7.2.2丁醇231

7.2.3甲酸231

7.2.4乙酸232

7.2.5丁酸232

7.2.6过氧化氢232

7.3生物制氢233

7.4生物传感器236

7.4.1DNA传感237

7.4.2免疫传感238

7.4.3ECIS细胞动态分析仪239

7.4.4微电极阵列生物电信号记录系统239

7.5生态修复239

7.5.1盐碱地修复240

7.5.2抗生素降解240

7.5.3石油烃降解242

7.5.4氰化物处理242

7.5.5垃圾渗滤液处理243

7.5.6其他244

7.6耦合应用245

7.7固体废物堆肥246

7.8处理食物残渣248

7.9本章小结249

参考文献249

李凤祥，南开大学环境科学与工程学院，讲师，李凤祥，男，讲师，博士。2009年毕业于南开大学环境科学与工程学院，取得环境科学与工程专业博士学位，是首批“国家建设高水平大学公派研究生项目”中美联合培养博士，同年留校任教，并在环境污染过程与基准教育部重点实验室主要从事环境生物电化学方面研究，科研工作涉及生物质能源化、废水生态毒理及修复、流域水生态功能、水污染控制及废水回用工程与资源化。

发表包括SCI、EI等论文40余篇；申请发明专利14项，已授权3项，实质审查11项；指导本科生生物电化学研究方向2015年南开大学“天津市大学生创新创业训练计划”，获南开大学二等奖。

目前研究领域主要集中在环境生物电化学系统阴极催化剂材料研究；阳极功能菌菌剂；应用生物电化学技术处理新型污染物，如抗生物废水处理过程中的抗性基因风险抑制等研究，在环境生物电化学的废物能源化技术领域做出一定研究贡献。