生物电化学系统【2025|PDF下载-Epub版本|mobi电子书|kindle百度云盘下载】

生物电化学系统PDF格式电子书版下载

注意：本站所有压缩包均有解压码： 点击下载压缩包解压工具

第1章 生物电化学系统：面向环境和工业生物技术的新方法1

1.1 燃料电池和生物电学1

1.2 基本原理4

1.2.1 微生物与电流4

1.2.2 生物电化学系统中的微生物群落5

1.2.3 从微生物代谢到电流产生6

1.3 测量指标和性能评价7

1.3.1 电势测量7

1.3.2 基于速率的性能评价指标8

1.3.3 基于效率的性能评价指标8

1.4 应用9

1.5 致谢10

参考文献10

第2章 微生物利用生物质产能14

2.1 生物质：储存在有机物中的太阳能14

2.2 生物质的含能量15

2.3 由生物质生产生物乙醇17

2.4 厌氧产甲烷消化：废物稳定化与能源化18

2.4.1 工艺性能18

2.4.2 产甲烷微生物学20

2.4.3 厌氧消化中胞外电子传递的重要性21

2.4.4 厌氧消化的应用22

2.5 生物质产氢26

2.6 展望27

参考文献27

第3章 酶燃料电池及其与BES/MFC的互补关系30

3.1 引言30

3.2 微生物燃料电池和酶燃料电池的相似点33

3.2.1 生物反应器设计33

3.2.2 原位生物反应器类型34

3.2.3 阳极电解液中的催化剂34

3.2.4 催化剂和／或介体固定34

3.2.5 直接电子传递催化剂35

3.3 MET和DET系统的催化剂来源35

3.4 微生物燃料电池和酶燃料电池的性质比较37

3.5 酶生物燃料电池中的酶37

3.6 燃料的深度／完全氧化39

3.7 结论40

参考文献40

第4章 基于可溶性化合物的电子穿梭45

4.1 引言45

4.2 氧化还原穿梭体46

4.3 早期的实验研究47

4.4 外源性氧化还原介体48

4.4.1 人造介体48

4.4.2 地表下环境中的天然氧化还原介体49

4.5 内源性氧化还原介体50

4.5.1 已知的由微生物产生的氧化还原介体51

4.5.2 未确定的内源性氧化还原介体53

4.6 溶解性氧化还原中介体的鉴定方法54

4.6.1 恒电位仪控制的电化学电池54

4.6.2 环境条件54

4.6.3 序批式实验54

4.6.4 培养基配方54

4.6.5 电化学方法55

4.6.6 介体转化55

4.6.7 介体的化学结构55

4.7 溶解性氧化还原介体穿梭与微生物代谢的相关性55

4.8 生物电化学系统中的溶解性氧化还原穿梭体56

4.8.1 微生物燃料电池56

参考文献57

第5章 从微生物到电子活性表面的直接电子传递62

5.1 简介62

5.2 胞外电子传递——微生物联结63

5.2.1 与胞外电子传递相关的膜的局部位点63

5.2.2 细菌纳米导线67

5.2.3 纳米导线的特征69

5.3 胞外电子传递的生态学意义71

参考文献73

第6章 生物电化学系统中的基因改造微生物78

6.1 引言78

6.2 希瓦菌和硫还原地杆菌的胞外呼吸78

6.3 采用异源基因进行表达的原因81

6.4 在大肠杆菌中进行异源基因表达的方法和挑战82

6.5 生物技术应用——研制“超级细菌”85

6.5.1 “超级细菌”在BES中的应用85

6.5.2 应用于生物修复的“超级细菌”86

6.6 结束语87

参考文献87

第7章 电化学损失92

7.1 简介92

7.2 各部分的电化学损失92

7.2.1 活化极化93

7.2.2 欧姆极化94

7.2.3 浓差极化（传质和反应极化）96

7.2.4 反应物交互扩散——内部电流98

7.2.5 阴阳两极间pH分化99

7.3 方法100

7.3.1 测量极化曲线的实验方法100

7.4 结论102

参考文献102

第8章 分析生物电化学系统的电化学方法104

8.1 循环伏安法研究电极上微生物的电子传递104

8.1.1 简介104

8.1.2 周转和非周转伏安实验106

8.2 塔菲尔曲线在生物电化学系统研究中的重要性112

8.2.1 简介112

8.2.2 利用塔菲尔曲线评价微生物燃料电池性能114

8.3 利用电化学交流阻抗图谱（EIS）评价生物电化学系统的电化学特性121

8.3.1 简介121

8.3.2 实验仪器和方法122

8.3.3 EIS数据的显示和分析123

8.3.4 利用阻抗图谱测定关键电化学参数125

8.3.5 微生物燃料电池研究中电化学阻抗图谱的应用126

8.4 结论130

参考文献131

第9章 生物电化学系统中的材料138

9.1 简介138

9.1.1 电极的比表面积和材料成本139

9.2 MFC中的电极材料139

9.2.1 阳极材料139

9.2.2 阴极材料141

9.2.3 膜144

9.3 其他材料146

9.3.1 电流收集器146

9.3.2 导线、电阻和负载147

9.4 微生物电解池的材料147

9.5 结论和展望149

参考文献149

第10章 影响BES性能的技术因素及规模化的瓶颈153

10.1 简介153

10.2 BES应用于污水处理时涉及的限制因素154

10.2.1 占地面积和能量效率154

10.2.2 电导率的影响156

10.2.3 缓冲液浓度的影响158

10.2.4 是否设置膜分隔158

10.3 放大试验设计限制因素159

10.3.1 放大试验和电压损失159

10.3.2 流体力学和力学160

10.4 成本和材料的选择160

10.4.1 材料特性和成本160

10.4.2 阳极160

10.4.3 阴极161

10.4.4 膜162

10.5 克服设计限制因素162

10.5.1 限制因素和应对措施162

参考文献164

第11章 有机物氧化167

11.1 引言167

11.2 呼吸作用下氧化生成二氧化碳168

11.3 微生物燃料电池阳极的发酵171

11.4 发酵微生物与嗜阳极微生物的共生作用174

11.5 产甲烷菌对发酵产物的竞争性利用175

11.6 发酵产物的电催化氧化176

11.7 总结177

参考文献177

第12章 生物电化学系统中硫化物的转化180

12.1 简介180

12.2 各种形态硫的特征180

12.2.1 单质硫180

12.2.2 硫化物与多硫化物181

12.2.3 硫酸盐和其他氧化态阴离子181

12.2.4 水溶液中各种形态硫的电化学电势与pH的关系181

12.3 现有的硫化物和硫酸盐去除技术183

12.3.1 硫化物去除技术183

12.3.2 硫酸盐去除技术184

12.3.3 现有脱硫技术的评价184

12.4 非生物电化学方法去除水中硫化物185

12.4.1 简介185

12.4.2 硫化物的自发氧化与产电186

12.4.3 硫化物氧化的终产物187

12.4.4 电沉积单质硫的特征188

12.5 BES去除水中硫化物189

12.5.1 简介189

12.5.2 硫化物在生物电池中的氧化190

12.6 展望192

参考文献192

第13章 生物电化学系统中的化学催化阴极196

13.1 简介196

13.2 氧还原反应（ORR）197

13.2.1 简介197

13.2.2 氧还原催化剂198

13.2.3 MFC的阴极构型200

13.3 析氢反应（HER）201

13.3.1 简介201

13.3.2 析氢催化剂204

13.3.3 MEC阴极构型206

13.4 前景208

参考文献208

第14章 反应器中的生物电化学还原214

14.1 简介214

14.2 好氧生物阴极215

14.3 缺氧和厌氧生物阴极217

14.4 生物阴极上的电子转移221

14.5 限制因素224

14.6 展望225

参考文献225

第15章 生物电化学系统应用于地下污染修复231

15.1 土壤和地下蓄水层污染的生物修复231

15.2 化学与电化学电子传递途径的比较231

15.2.1 氯代烃233

15.2.2 无机污染物237

15.3 面向实地应用的展望、前景和挑战240

参考文献242

第16章 深海底泥微生物燃料电池的理论、发展和应用247

16.1 简介247

16.2 底泥氧化还原化学的基本原理247

16.3 深海底泥微生物燃料电池（BMFC）的设计原理和测试方法248

16.4 阳极材料和设计249

16.5 阴极材料与设计250

16.6 BMFC设计过程中性能和实用性思考251

16.7 BMFC的微生物生态学253

16.8 控制功率输出的因素255

16.9 BMFC规模化和环境多变性256

16.10 BMFC的商业可行性257

参考文献258

第17章 微生物燃料电池作为生化需氧量和毒性传感器262

17.1 引言262

17.1.1 基于溶解氧探头的BOD传感器262

17.1.2 光度BOD传感器263

17.1.3 滴定和呼吸运动传感器263

17.1.4 带介体的电化学BOD传感器264

17.2 无介体的微生物燃料电池265

17.2.1 电化学活性细菌265

17.2.2 电化学活性菌群的富集265

17.2.3 无介体MFC的微生物学266

17.2.4 MFC的性能优化267

17.3 MFC作为BOD传感器的设计和性能267

17.3.1 MFC测定大于10mg/L的BOD值268

17.3.2 MFC测定小于10mg/L的BOD值270

17.3.3 含有氧和硝酸盐样品的BOD测定271

17.4 MFC作为毒性传感器272

17.5 结论272

17.6 致谢272

参考文献273

第18章 生物电化学系统可转化利用的原料278

18.1 简介278

18.2 BES利用的确定基质279

18.2.1 VFA和其他发酵终产物280

18.2.2 可溶性碳水化合物、氨基酸和异生物质283

18.3 BES利用的复杂基质和污水284

18.3.1 纤维素类给料284

18.3.2 几丁质285

18.3.3 生活污水285

18.3.4 模拟工业废水和实际工业废水286

18.4 给料成分的其他方面287

18.5 污水处理工艺中的给料和BES的整合288

18.6 结论292

18.7 致谢292

参考文献293

第19章 BES与污水和污泥处理系统的整合297

19.1 引言297

19.2 BES作为独立的处理单元或者置于活性污泥处理系统之后对污水进行深度处理298

19.3 在BES系统之前进行有机废水的酸化预处理300

19.4 通过厌氧消化池将污泥稳定化后进入BES系统301

19.5 利用BES阴极产生的碱度控制厌氧消化反应器的pH303

19.6 利用BES阴极的反硝化作用去除水中的营养成分303

19.7 BES阴极产生用于污水处理的化学品304

19.8 展望305

参考文献305

第20章 小型适用的BES配套设备309

20.1 引言309

20.2 人工共生309

20.3 微生物燃料电池及其构型310

20.3.1 外围设备的定义310

20.3.2 搭建功率分配器312

20.3.3 保证连续自动运行的最低外设要求313

20.3.4 电池组的复杂性313

20.3.5 微生物电解池在有电能输入时将有机物转化为其他形式的能量（氢气或甲烷）316

20.3.6 微生物电解池消耗电能同时驱动目标反应（如反硝化）316

参考文献317

第21章 生物电化学系统的数学模拟318

21.1 简介318

21.2 数学模型318

21.2.1 模型特征319

21.2.2 模型特征对模型使用者的影响320

21.3 生物电化学系统的数学建模目标321

21.4 生物电化学系统数学建模的关键元素322

21.5 现有的生物电化学系统模型323

21.6 生物电化学系统当今面临的挑战328

21.6.1 生物电极动力学328

21.6.2 电子传递机制330

21.6.3 微生物活性：生物能量学和动力学330

21.6.4 物质传递——对流、扩散和迁移333

21.6.5 生物膜与空间模型334

21.7 生物电化学建模的前景334

参考文献335

第22章 展望：研究方向和生物电化学系统的新型应用338

22.1 注重应用研究338

22.2 基础理论研究338

22.2.1 认识生物电化学工艺的基本原理338

22.2.2 从实际出发的创新性基础理论研究340

22.3 应用研究面临的机遇340

22.3.1 当前研究的贡献和不足340

22.3.2 生物电化学系统是否可以用于污水处理342

22.3.3 生物电化学系统的最佳功能是产电吗？343

22.4 潜在的新型BES的应用343

22.4.1 阴极还原的新选择343

22.4.2 阳极氧化的新选择345

22.5 生物电化学系统与实际处理系统的集成345

22.6 生物电化学系统未来发展的展望346

参考文献347