微生物燃料電池講義(課件)

1、1 微生物燃料電池微生物燃料電池1及其進(jìn)展及其進(jìn)展 小組成員：羅冬平 2009072101 張志鋒 2009072117 張 鵬 2009072118 杜 洋 2009072128 李 雯 20090721291.關(guān)毅,張?chǎng)?微生物燃料電池.化學(xué)進(jìn)展.2007,19(1):74-79.2主要內(nèi)容主要內(nèi)容n微生物燃料電池的概述和歷史n微生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)n基本工作原理n微生物燃料電池的材料n微生物燃料電池的應(yīng)用n研究進(jìn)展與展望3研究背景與意義研究背景與意義n目前,解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和探尋新的能源是人類(lèi)社會(huì)能夠完成可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問(wèn)題。微生物燃料電池微生物燃料電池n微生物燃料電池微生

2、物燃料電池 (Microbial Fuel Cell, 簡(jiǎn)稱(chēng)MFC)是以微生物為催化劑，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。n具有發(fā)電與廢棄物處置的雙重功效。微生物燃料電池代表了當(dāng)今最前沿的廢棄物資源化利用方向，有望成為未來(lái)有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)。MFCMFC實(shí)物組圖實(shí)物組圖 電化學(xué)工作站電化學(xué)工作站 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)恒溫培養(yǎng)箱恒溫培養(yǎng)箱 無(wú)菌操作臺(tái)無(wú)菌操作臺(tái) 厭氧工作站厭氧工作站MFC:5歷史歷史n1.早在1910年，英國(guó)植物學(xué)家馬克比特首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，于是，他用鉑做電極，把它放進(jìn)大腸桿菌和普通酵母菌培養(yǎng)液里，成功制造出了世界第一個(gè)微生物燃料電池；n2.1

3、984年，美國(guó)制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細(xì)菌，不過(guò)它的放電率極低；n3.1991 年開(kāi)始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水的范例，然而，直到最近幾年用MFC處理生活污水得到的電池功率才有所增強(qiáng)；n4.近幾年, MFC的研究已經(jīng)成為治理和消除環(huán)境污染源,開(kāi)發(fā)新型能源研究工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。6微生物燃料電池的特點(diǎn):n直接將底物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用率高；n原料廣泛，理論上任何有機(jī)物都可以作為微生物的底物；n微生物燃料電池可以在常溫常壓下的環(huán)境中運(yùn)行，操作條件溫和；n微生物燃料電池主要產(chǎn)生二氧化碳，環(huán)保無(wú)污染，生物相容性好；n微生物燃料電池對(duì)于缺少發(fā)電設(shè)

4、備的地方存在很大的市場(chǎng)潛力，并且可以擴(kuò)大目前的燃料形式以滿(mǎn)足我們的能量需求7MFC的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn):n與常規(guī)燃料電池相比 ,MFC以微生物代替昂貴的化學(xué)催化劑 ,因而具有更多優(yōu)點(diǎn):n(1)燃料來(lái)源廣泛 ,尤其可利用有機(jī)廢水等廢棄物;n(2)反應(yīng)條件溫和 ,常溫常壓下即可運(yùn)行; n(3) 環(huán)境友好 ,所產(chǎn) 生的物質(zhì)主要是CO2和H2O,無(wú)酸、堿、重金屬等污染物產(chǎn)生,無(wú)需對(duì)其產(chǎn)物做任何后處理;n(4)因能量轉(zhuǎn)化過(guò)程無(wú)燃燒步驟 ,故理論轉(zhuǎn)化效率較高。8微生物燃料電池的分類(lèi)91、介體微生物燃料電池n微生物細(xì)胞膜含有肽鍵或類(lèi)聚糖等不導(dǎo)電物質(zhì)，對(duì)電子傳遞造成很大阻力，需要借助介體將電子從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)

5、移到陽(yáng)極。吸附在脫硫弧菌(Desulfovibrodesulfricans)細(xì)胞膜上與碳聚合膜交結(jié)的紫精染料，可以調(diào)節(jié)電子在細(xì)菌細(xì)胞與電極間的轉(zhuǎn)移。在微生物燃料電池中加入適當(dāng)?shù)慕轶w，會(huì)顯著改善電子的轉(zhuǎn)移速率。10n微生物燃料電池的有效電子傳遞介體，應(yīng)該具備以下特性：n(1)介體的氧化態(tài)易于穿透細(xì)胞膜到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部的還原組分；n(2)其氧化還原式量電位要與被催化體系的電位匹配；n(3)其氧化態(tài)不干擾其它的代謝過(guò)程；n(4)其還原態(tài)應(yīng)易于傳過(guò)細(xì)胞膜而脫離細(xì)胞；n(5)其氧化態(tài)必需是化學(xué)穩(wěn)定的、可溶的，并且在細(xì)胞和電極表面均不發(fā)生吸附；n(6)其在電極上的氧化還原反應(yīng)速率非?？?、且有很好的可逆性。11

6、2、無(wú)介體微生物燃料電池n所謂無(wú)介體微生物燃料電池，是指微生物燃料電池中的細(xì)菌能分泌細(xì)胞色素、醌類(lèi)等電子傳遞體，可將電子由細(xì)胞膜內(nèi)轉(zhuǎn)移到電極上。n目前發(fā)現(xiàn)的這類(lèi)細(xì)菌有腐敗希瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、地桿菌(Geobacteraceae），酸梭菌(Clostridium butyricum)及(Rhodoferax Ferrireducens)、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfaecalis)，鶉雞腸球菌(Enterococcusgallinamm)和銅綠假單胞菌(PseudomonaSaemginosa)等。12Thanks your !有機(jī)物作為燃料在厭氧的

7、陽(yáng)極室中有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽(yáng)極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽(yáng)極，電子通物捕獲并傳遞給電池陽(yáng)極，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，從而形成回路過(guò)外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水。其陽(yáng)到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水。其陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如下所示：極和陰極反應(yīng)式如下所示：陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極反應(yīng)： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 2H2OMFC的基本工作原理：的基本工作原理：PEM負(fù)載負(fù)載陽(yáng)極室陽(yáng)極室陰極室陰極室O2CO2H+e-e

8、-e-H2Oe-H+有機(jī)物有機(jī)物微生物微生物圖圖1.微生物燃料電池工作原理Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell1415Thanks your !16微生物燃料電池的材料陽(yáng)極材料n陽(yáng)極材料的要求是：高導(dǎo)電，耐腐蝕，高比表面積（區(qū)每卷），孔隙率高，非污染（例如，細(xì)菌不會(huì)填滿(mǎn)它），廉價(jià)，和容易和規(guī)模較大的尺寸。n碳素紙，布，泡沫，和風(fēng)險(xiǎn)投資。使用碳電極在紙，布，和泡沫形式的陽(yáng)極是很常見(jiàn)的。17181920陰極材料21 圖22.微生物燃料電池陽(yáng)極電子傳遞機(jī)制示意圖:A.直接接觸;B.納米導(dǎo)線(xiàn);C.氧化還原介體;D.還原態(tài)初級(jí)代謝產(chǎn)物

9、原位氧化陽(yáng)極研究進(jìn)展陽(yáng)極研究進(jìn)展陽(yáng)極產(chǎn)電機(jī)制陽(yáng)極產(chǎn)電機(jī)制2.盧娜，周順桂，倪晉仁.微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制.化學(xué)進(jìn)展. 2008，20 （7/8）:1233-1240.陽(yáng)極材料陽(yáng)極材料n 一般微生物燃料電池用無(wú)腐蝕性的導(dǎo)電材料作為陽(yáng)極,如碳布、石墨等,因此對(duì)陽(yáng)極的研究主要是對(duì)導(dǎo)電材料的改性和加入其他的催化劑。1.對(duì)材料的改性對(duì)材料的改性nZeikus3報(bào)道了用石墨石墨陽(yáng)極固定微生物來(lái)增加電流密度, 然后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+來(lái)改性石墨作為陽(yáng)極,結(jié)果表明,這些改性陽(yáng)極產(chǎn)生的電流功率是平板石墨的115212倍。nZhang4報(bào)道了在石墨石墨中加入聚四氟乙烯( P

10、TFE) 作為MFC的陽(yáng)極,研究表明,PTFE 的含量影響了MFC的電流產(chǎn)生,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的PTFE可以獲得的最大功率為760 mW/ m2。3. Zeikus GJ ,Park D H,Lovley D R. Harvesting energy from themarine sediment2water interface: .Kinetic activity of anode materials J . Biosensors and Bioelectronics,2006 ,21(11) :2058 - 2063. 4. Zhang Tian,Zeng Yulong,Chen Shen

11、gli , et al. Improved performances of E. coli2catalyzed microbial fuel cells with composite graphite/ PTFE AnodesJ . Electrochemistry Communications,2007 ,9 (3) :349 - 353.nCheng5將用氨氣預(yù)處理過(guò)的碳布作為MFC 的陽(yáng)極,結(jié)果表明,預(yù)處理過(guò)的碳布產(chǎn)生的功率為1640 mW/ m2 ,要大于未預(yù)處理過(guò)的功率,并且MFC 的啟動(dòng)時(shí)間縮短了50 %。2 .加入其他催化劑加入其他催化劑nQiao6報(bào)道了用碳納米管/ 聚苯胺(C

12、NT/ PANI)作為MFC 陽(yáng)極。nKargi 等7用銅和銅- 金導(dǎo)線(xiàn)來(lái)代替石墨電極作為MFC 的陽(yáng)極,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著陽(yáng)極表面積的增大,產(chǎn)生的電流和功率也隨之增大。nRosenbaum8研究了用碳化鎢作為微生物燃料電池的陽(yáng)極,獲得了不錯(cuò)的效果,其電化學(xué)活性和化學(xué)穩(wěn)定性作為微生物燃料電池的陽(yáng)極是適合的。5 Cheng Shaoan,LoganB E.Ammonia treatment of carbon cloth anodes to enhance power generation of microbial fuel cellsJ . Electrochemistry Communicati

13、ons,2007 ,9(3) :492 - 496.6 Qiao Yan,Li Changming,Bao Shujuan, et al.Carbon nanotube/polyaniline composite as anode material for microbial fuel cellsJ .Journal of Power Sources,2007 ,170(1) :79 - 84.7. Kargi F,Eker S. Electricity generation with simultaneous wastewater treatment bya microbialfuel ce

14、ll (MFC) with Cu and Cu2Au electrodesJ.Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2007 ,82 (7) :658 - 662.8 RosenbaumM,Zhao Feng,QuaasM, et al. Evaluationof catalytic properties of tungsten carbide for the anode of microbial fuel cellsJ .Applied Catalysis B:Environmental ,2007,74(3) :261 - 269

15、.24陰極研究進(jìn)展陰極研究進(jìn)展n陰極材料大多使用載鉑碳材料,采用鉑可以增加氧的還原物質(zhì)的加入也相應(yīng)增加了微生物燃料電池的成本, 電流,并且催化劑用量可以低至0.1mg/cm2,但是由于Pt的價(jià)格比較昂貴限制其商業(yè)化應(yīng)用。因此需要尋找廉價(jià)的可替代陽(yáng)極鉑催化劑。最近使用摻Fe3+的石墨9和沉積了氧化錳的多孔石墨10作為陰極材料的報(bào)道。9 Park D H ,Gregory Z J . Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbial degradation J . Biotechnol

16、ogy and Bioengineering ,2003 ,81(3) :348 - 355. 10 Rhoads A ,Beyenal H ,Lewandowski Z.Microbial fuel cell using anaerobic respiration as an anodic reaction and biomineralized manganese as a cathodic reactant J . Environ Sci Technol , 2005 , 39 ( 12) : 4666 -4671.25電池性能制約因素：電池性能制約因素：n(1)動(dòng)力學(xué)因素,陽(yáng)極和陰極反應(yīng)

17、活化能的因素; n(2)內(nèi)阻的因素,主要來(lái)自電解液的離子阻力,電極與接觸物質(zhì)產(chǎn)生的電阻,以及PEM所產(chǎn)生的內(nèi)電阻; n(3)傳遞因素,反應(yīng)物到微生物活性位的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散。26微生物燃料電池的應(yīng)用一、廢水處理27Thanks your !28Thanks your !293031微生物燃料電池的應(yīng)用二、產(chǎn)氫323334微生物燃料電池的應(yīng)用三、深海MFC概念，利用沉積物作為一個(gè)遠(yuǎn)程電源在海底或供電的數(shù)據(jù)采集設(shè)備或服務(wù)的一個(gè)加油站。35n這一概念的SMFC很簡(jiǎn)單：將陽(yáng)極進(jìn)入?yún)捬醭练e物和陰極到上覆水含有溶解氧。高鹽度的海水提供了良好的離子導(dǎo)電電極之間，且有機(jī)質(zhì)需要由細(xì)菌產(chǎn)生電已經(jīng)

18、在沉積物。顯著的測(cè)試的一部分，是外電的細(xì)菌目前已在沉積物，而且他們能夠充分競(jìng)爭(zhēng)的微生物利用其他電子受體產(chǎn)生有用的功。他們指出，在大陸邊緣沉積物通常包含2 - 3 %的有機(jī)碳（干重）和不斷變化的新的碳沉積物捕獲的這種裝置可以維持，如果發(fā)電在50毫瓦/平方米基本上無(wú)限期。36部分沉積物中測(cè)試在冷泉組成（A）一個(gè)單一的石墨棒陽(yáng)極（B）陰極電子住房和刷顯示的箭頭1.箭頭二顯示二單元的背景3738應(yīng)用前景應(yīng)用前景n替代能源; nBOD傳感器; n污水處理新工藝; n利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進(jìn)行未培養(yǎng)菌的富集。39n微生物燃料電池自身潛在的優(yōu)點(diǎn)展示了其良好的發(fā)展前景，但作為電源應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)與生活還比

19、較遙遠(yuǎn)。其主要原因是輸出功率密度與其它電池技術(shù)相比存在著數(shù)量級(jí)上的差距。此外，較之其它電池，制作與運(yùn)行成本也較高。若微生物燃料電池能降低成本和提高發(fā)電效率，將會(huì)為廢水處理節(jié)省龐大的開(kāi)支。因此，微生物燃料電池有必要在以下幾方面開(kāi)展研究：n(1)目前大多數(shù)微生物燃料電池由單一菌種構(gòu)建。要達(dá)到普遍應(yīng)用的目的，急需發(fā)現(xiàn)能夠使用廣泛有機(jī)物作為電子供體的高活性微生物。今后的研究將繼續(xù)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生物。以有機(jī)廢水(如淀粉廠(chǎng)出水)為燃料建立微生物燃料電池，試圖分離所需菌種。40n(2)在電池的構(gòu)造方面，現(xiàn)有的微生物燃料電池一般有陰陽(yáng)兩個(gè)極室，中間由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)。這種結(jié)構(gòu)不利于電池的放大。單室設(shè)計(jì)的微生物燃料電池將質(zhì)子交換膜纏繞于陰極棒上，置于陽(yáng)極室，這種結(jié)構(gòu)有利于電池的放大，己用于大規(guī)模處理污水。n(3)電能的輸出很大程度上受到陰極反應(yīng)的影響。低電量輸