微生物燃料電池的意義

1、1.研究目的微生物燃料電池是一種利用微生物作為催化劑，將燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化 為電能的生物反應器。本文通過一定室型mfc反應器，選擇最優(yōu)的電極材料，并對電極間距，電極 面積進行參數(shù)調(diào)整，進一步對反應器構(gòu)型，循環(huán)流速，膜結(jié)構(gòu)和反應條件進行優(yōu) 化，提高微生物燃料電池的輸出功率。2.研究意義微生物燃料電池（microbial fuel cell, mfc）是基于傳統(tǒng)的燃料電池（fuel cell, fc） 與微生物相結(jié)合發(fā)展起來的由陰陽兩極及外電路構(gòu)成的裝置。在 mfc 系統(tǒng)內(nèi)，微 生物通過新陳代謝氧化有機物后將電子胞外傳遞給陽極，電子再通過外電路到達 陰極從而產(chǎn)生電能。從 mfc 的構(gòu)成來看，陽

2、極作為產(chǎn)電微生物附著的載體，不僅 影響產(chǎn)電微生物的附著量，而且影響電子從微生物向陽極的傳遞，對提高 mfc 產(chǎn) 電性能有至關(guān)重要的影響。因此，從提高 mfc 的產(chǎn)電能力出發(fā)，選擇具有潛力的 陽極材料開展研究，解析陽極材質(zhì)和表面特性對微生物產(chǎn)電特性的影響，對提高 mfc 的產(chǎn)電能力具有十分重要的意義。在 mfc 中，高性能的陽極要易于產(chǎn)電微 生物附著生長，易于電子從微生物體內(nèi)向陽極傳遞，同時要求陽極內(nèi)部電阻小、 導電性強、電勢穩(wěn)定、生物相容性和化學穩(wěn)定性好。目前有多種材料可以作為陽 極，但是各種材料之間的差異，性對電池性能的影響并沒有得到深入的研究。以 及各種陽極特陽極厚度對填料型微生物燃料電池

3、產(chǎn)電性能的影響（清華，鐘登杰，小論文）作為一種新型的清潔能源生產(chǎn)技術(shù),mfc 在產(chǎn)電的同時還能處理廢水、去除硫化氫、產(chǎn)氫和修 復地下水。與傳統(tǒng)的廢水處理工藝相比,mfc 產(chǎn)泥量少、不產(chǎn)生甲烷,從而節(jié)省污泥和氣體處理 費用。但 mfc 的產(chǎn)電功率密度低,與氫氧燃料電池相比,差 34 個數(shù)量級。為了提高 mfc 的產(chǎn) 電功率和處理廢水的效率,目前的研究主要集中在產(chǎn)電微生物篩選和 mfc 結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個方面。 對于優(yōu)化 mfc 結(jié)構(gòu),可以通過優(yōu)化陽極、陰極和質(zhì)子膜材料,提出新型的 mfc 結(jié)構(gòu)和運行方式 等來實現(xiàn)。微生物燃料電池處理有機廢水過程中的產(chǎn)電特性研究（哈工，尤世界，博士論文）mfc 是一個新

4、生事物，該項技術(shù)具有廢水處理和電能回收的雙重功能，它的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)有 機廢水處理技術(shù)和觀念的重大革新，目前正在引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，日漸成為環(huán)境科 學與工程和電化學領域一個新的研究熱點。尤其是在能源供需矛盾日益突出，環(huán)境污染日益 嚴重的今天，mfc 更顯示出其它技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。mfc 技術(shù)一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將會使 廢水處理技術(shù)發(fā)生一次新的革命，產(chǎn)生不可估量的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。但是由于受到技 術(shù)和經(jīng)濟方面等眾多因素的限制，mfc 離實際工程應用的距離還很遙遠，相關(guān)研究剛剛起步， 目前正處于可行性探索和基礎研究階段。本課題正是在這一背景下提出的。由于功率密度低， 材料造價昂貴，反應器型

5、式的不確定，有關(guān)mfc 的研究目前主要停留在實驗室的規(guī)模和水平 上，很難實現(xiàn)商業(yè)化應用。因此，為了進一步提高 mfc 的產(chǎn)電功率密度，降低系統(tǒng)的基礎和 運行費用，研發(fā)適合廢水處理工藝特點的 mfc 結(jié)構(gòu)型式，為進一步的研究提供切實可行的依 據(jù)與支撐，促進該項技術(shù)早日應用于有機廢水處理的工程實踐，需要在現(xiàn)有研究水平的基礎 上充分把握 mfc 研究中多學科交叉的特點，開展 mfc 的電化學特性和有機物降解特性的基 礎研究；弄清陽極特性對 mfc 性能的影響及陰極電子受體在 mfc 功率密度提高中起到的重12要作用；在兼顧發(fā)電和同步廢水處理的雙重目標基礎上，開發(fā)和設計更加適用于有機廢水處 理的 mf

6、c 反應器構(gòu)型式，為 mfc 反應器設計與運行的優(yōu)化提供切實可行的理論依據(jù)，具有 重要的科學意義和參考價值。微生物燃料電池陽極修飾的研究進展（山東輕工業(yè)學院食品與生物工程學院，宋娟，小論文） 微生物燃料電池(microbial fuel cell,mfc) 是利用微生物作為反應主體,將燃料(有機物質(zhì))的化學 能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置 , 能在處理廢水的同時產(chǎn)生電能 ,且不排放污染物 , 作為一類理想 的新型清潔能源已成為科學家的研究熱點。微生物燃料電池陽極特性對產(chǎn)電性能的影響（清華，黃霞，小論文）微生物燃料電池(microbial fuel cel,l 簡稱 mfc)技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的

7、一種融合了污 水處理和生物產(chǎn)電的新技術(shù),它能夠在處理污水的同時收獲電能,因此受到廣泛的關(guān)注。目前微生物燃料電池的產(chǎn)電能力還很低,離實際應用尚有較大的距離,因此,如何提高 mfc 的產(chǎn)電性能是該領域的研究熱點。微生物燃料電池陽極產(chǎn)電微生物和陰極受體特性及研究進展（中國科學院，付潔，小論文） 為了解決不可再生能源(如煤，石油等)日益短缺造成的能源危機和減小溫室氣體大量排放給環(huán)境帶來的巨大污染，尋找綠色環(huán)保型替代能源已成為各國研究者關(guān)注的熱點。微生物燃 料電池以其獨特的優(yōu)勢在近些年引起了學者的廣泛關(guān)注。微生物燃料電池(mierobialfueleell， mfe)是一種通過微生物的代謝作用將蘊藏在有

8、機物中的化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。與其他燃 料電池相比，它具有以下優(yōu)點:燃料來源廣泛，生活污水、發(fā)酵廢糟等都可以作為燃料;反 應條件溫和，一般可在室溫下進行川;清潔、環(huán)保，不會引起環(huán)境污染。填料型微生物燃料電池產(chǎn)電特性的研究（清華，梁鵬，小論文）微生物燃料電池(microbial fuel cell, mfc)在凈化污水的同時收獲電能,有可能降低污水處 理的成本,因而近年來受到了廣泛關(guān)注.然而,目前 mfc 輸出功率很低,以空氣陰極 mfc 為例,國 外文獻中報道的最大輸出功率密度為 1 500 mw/m , 遠低于氫氧燃料電池的功率密度,因而當務 之急是提高 mfc 的產(chǎn)電能力。碳納米管陽極微

9、生物燃料電池產(chǎn)電特性的研究（同上）由于微生物燃料電池(microbial fuel cell, mfc)能夠在凈化污水的同時,將有機物中的化學能轉(zhuǎn) 化為電能 ,為節(jié)能低耗型污水處理新工藝的研究提供了一個新的思路 ,因此近年受到廣泛關(guān)注 . 但現(xiàn)有的 mfc 產(chǎn)電能力較低,這使 mfc 的實際應用受到限制.因此,提高 mfc 的產(chǎn)電能力是目 前研究的主要目標之一.從 mfc 的構(gòu)成來看,陽極作為產(chǎn)電微生物附著的載體,不僅影響產(chǎn)電微 生物的附著量,同時還影響電子從微生物向陽極的傳遞,對提高 mfc 產(chǎn)電性能有至關(guān)重要的影 響.因此,從提高 mfc 的產(chǎn)電能力出發(fā),選擇具有潛力的陽極材料開展研究,解

10、析陽極材質(zhì)和表面 特性對微生物產(chǎn)電特性的影響,對提高 mfc 的產(chǎn)電能力具有十分重要的意義.基于升流式厭氧污泥床反應器的微生物燃料電池的研究（蘇州大學，王萬全，小論文） 微生物燃料電池(mfcs)是利用微生物的催化作用直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。生 活污水和工業(yè)廢水中含有大量的有機物可作為其燃料而獲得電能 , 同時有機物得到降解。因 此,mfcs 的研究與開發(fā)已成為當前污染治理、開發(fā)新型能源的研究熱點。微生物燃料電池及其應用研究進展（中國石油大學，詹亞力，小論文）三個利用方向利用 mfc 輸出電能的特點進行新型能源的開發(fā),利用 mfc 電流與水中有機物之間的定量關(guān)系進行新型污水水質(zhì)檢測

11、方法的研究,利用 mfc 的特殊環(huán)境對特殊性能的微生物進行馴化。開發(fā)前景替代能源；傳感器；污水處理新工藝；利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進行未培養(yǎng)菌的富集； 替代能源生物質(zhì)制氫被認為是未來氫燃料電池的原料來源,而 mfc 與生物質(zhì)制氫的共同252特點是均以生物質(zhì)作為原料 ,但在生物質(zhì)制氫過程中 , 葡萄糖等生物質(zhì)中還有相當部分的氫未 被利用,而且氫氣還只是從生物質(zhì)獲取能源的中間產(chǎn)品,而 mfc 則可以直接將葡萄糖中的氫全 部消耗并轉(zhuǎn)化成 h o,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能源的效率較高。正是由于 mfc 能夠直接將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成 電能,因此 wilkinson 展望了用食物直接喂養(yǎng)機器人的可能性。傳感器開發(fā)bo

12、d 被廣泛用于評價污水中可生化降解的有機物含量,但由于傳統(tǒng)的 bod 測 定方法需要 5 天的時間,因此,出現(xiàn)了大量關(guān)于 bod 傳感器的研究,其中以 mfc 工作原理為基礎 的 bod 傳感器的研究也是研究人員關(guān)注的焦點。利用 mfc 工作原理開發(fā)新型 bod 傳感器的 關(guān)鍵在于 : 電池產(chǎn)生的電流或電荷與污染物的濃度之間呈良好的線性關(guān)系 ;電池電流對污 水濃度的響應速度較快;有較好的重復性?？紤]到實際污水中存在硝酸鹽和硫酸鹽等具有高氧化還原電勢的電子受體 , 它們會降低 mfc 的電流響應信號,chang 等嘗試在陽極池中加入疊氮化物和氰化物等呼吸抑制劑,達到了消除硝 酸鹽和硫酸鹽影響的效

13、果,結(jié)果顯示,通過加入呼吸抑制劑,使 mfc 型 bod 傳感器可用于準確測 量含氧和含硝酸鹽的貧營養(yǎng)地表水中的 bod 含量。此外,mfc 作為貧營養(yǎng)水體(如地表水、污 水處理廠排出液等)的傳感器電池的主要障礙在于 o2 通過陰極和質(zhì)子交換膜的擴散速率大,在 陰極的還原速率低,因此導致電池輸出電流的輸出信號很小。kang 等有針對性地對 mfc 的陰 極進行了改進,明顯提高了 mfc 電流輸出的重復性和信噪比。污水處理目前,以有機污水為燃料、回收利用污水中有機質(zhì)的化學能一直是 mfc 研究中的 主要目的,但在研究中,對于 mfc 處理后污水水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果使研究人員對以 mfc 工作原理為 基

14、礎,開發(fā)新的污水處理工藝產(chǎn)生了濃厚興趣。微生物燃料電池構(gòu)造研究進展（廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，李登蘭，小論文） 資源短缺、能源危機使得生物產(chǎn)能的研究日益受到重視.生物產(chǎn)電、微生物燃料電池(microbial fuel cel,l mfc)近 20 多年的研究吸引了多學科的參與,為學科間的交叉發(fā)展提供了廣闊的空間. 由于 mfc 是把微生物呼吸產(chǎn)能直接轉(zhuǎn)換為電能,與現(xiàn)有的其它利用有機物產(chǎn)能的技術(shù)如產(chǎn)氫、 產(chǎn)乙醇、產(chǎn)甲醇等相比, mfc 具有操作上和功能上的優(yōu)勢.首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能,保證 了很高的能量轉(zhuǎn)化效率 , 避免了昂貴的預處理催化過程 . 其次 , 不同于現(xiàn)有的所有生物能處理

15、, mfc 在常溫甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運作.第三, mfc 不需要進行廢氣處理,因為它 所產(chǎn)生廢氣的主要組分是 co .第四,在缺乏電力基礎設施的偏遠地區(qū),尤其是發(fā)展中國家, mfc 具有更廣泛應用的潛力,同時也擴大了滿足人們對能源需求的燃料的多樣性.近年來的相關(guān)研究已由專門利用糖類原料轉(zhuǎn)向為利用廢水中的有機物來產(chǎn)電,不僅可以處理廢 水, 還能在處理過程中提供一種清潔能源 , 從而可以為補償污水處理廠昂貴運行費用提供一種 新途徑,使污水深度處理在發(fā)展中國家和工業(yè)化國家都可以運行.雖然 mfc 產(chǎn)生的功率密度比 其它類型的燃料電池要低 , 但它在廢水處理中的應用將是最有前景的發(fā)展方向

16、 .lovley 等人和 logan 等人在改進電池結(jié)構(gòu)、增加其產(chǎn)電量等方面作了大量工作.微生物燃料電池電極材料的研究進展（華南師范大學化學與環(huán)境學院，曾麗珍，小論文） 微生物燃料電池的研究正處于實驗室研究或小批量試驗水平，在實際應用中電池輸出功率比 較低(一般小于 10 w/m2 陽極面積)，這主要是由于在細菌細胞和外電極之間電子轉(zhuǎn)移很困難。 因此，高性能電極材料是最重要的。特別是陽極材料及其結(jié)構(gòu)，可以直接影響細菌附著，電 子轉(zhuǎn)移和底物氧化。微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀及應用前景（中國石油大學，詹亞力，小論文）mfc 的應用前景隨著社會與經(jīng)濟的不斷發(fā)展,能源消費將逐年增加。據(jù)分析,到 2020

17、年,全世界的能源消耗量將 比現(xiàn)在增長一倍,能源的大量消耗同時也帶來了地球變暖、酸雨增加等矛盾。為了人類能源的 穩(wěn)定持久供應,為了保護生態(tài)環(huán)境,近一段時間以來,新能源的研制開發(fā)受到普遍的重視。作為一 種新能源，燃料電池發(fā)電技術(shù)正引起各國科學家注目并被積極地著手研制。到目前為止,燃料3電池在研制和開發(fā)應用方面均取得了長足的進展。作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，燃料電池已經(jīng)在航空航天領域得到了成功的 應用，現(xiàn)在世界各國都在加速其在民用領域的商業(yè)開發(fā)。使用微生物電池處理污水一方面可 以為微生物燃料電池提供一個新的研究方向，另一方面，為處理污水，將無用資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭?生產(chǎn)能量的有用資源提供了新的

18、發(fā)展方向。而且微生物燃料電池將污水中可降解有機物的化 學能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了污水處理的可持續(xù)發(fā)展。在采用污水作為原料的 m f c 中，通過陽 極的微生物修飾，將有效提高電池的輸出功率。微生物燃料電池法處理污水的技術(shù)正向無介體、無膜的方向繼續(xù)發(fā)展，在實際應用的道路上 正一步步走向可行。目前微生物燃料電池處理污水技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題是應該繼續(xù)提高輸 出功率和庫侖轉(zhuǎn)移效率、進一步降低電池成本等，mfc 的性能除面臨與氫燃料電池相同的陰 極氧化還原動力學的困難外，還存在陽極微生物細胞內(nèi)的電子向電極表面有效轉(zhuǎn)移，以及 o2 穿透隔膜的問題，這些問題的解決都是 mfc 的關(guān)鍵。微生物燃料電池產(chǎn)電的影響因素（南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院，葉曄捷，小論文） 微生物燃料電池(microbial fuel cells,mfcs)是一種利用微生物作為催化劑，直接將有機物的化 學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.利用 mfcs 可直接降解水中的有機污染物，同時產(chǎn)生電能，回收有機 污染物的部分化學能，這種變廢為寶的優(yōu)勢使 mfcs 近年來在廢水處理及新能源開發(fā)領域的 研究成為熱點目前 mfcs 輸出功率尚低，距實際應用尚有很大距離，故提高 mfcs 的輸出功率是解決其應 用限制最直接最關(guān)鍵的問題.微生物燃料電池(mfc)技術(shù)及其發(fā)展前景的研究（安慶師范學院，王萍