微生物燃料電池ppt課件

1、微生物燃料電池朱亞輝 姚烘燁 楊金鵬 狄偉強(qiáng) 胡燦陽(yáng) 夏德銘 時(shí)間：2019.10.24Research on Microbial Fuel Cells DUT研究背景01 簡(jiǎn)單分類03發(fā)展展望05 基本原理02 具體應(yīng)用04THE MAIN CONTENTSResearch on Microbial Fuel CellsDUT1第部分研究背景 簡(jiǎn)單來(lái)說：微生物燃料電池Microbial Fuel Cells，MFC是一種利用微生物產(chǎn)電菌將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 MFCs 也可以被簡(jiǎn)單地定義為通過微生物的厭氧呼吸過程氧化底物、還原電極并輸出電能的生物電化學(xué)系統(tǒng)。 研究背景01D

2、UTResearch on Microbial Fuel Cells. Whats the MFCs？什么是微生物燃料電池？什么是微生物燃料電池？ 1911 年，英國(guó)植物學(xué)家 Potter 發(fā)現(xiàn)微生物的催化作用可以在燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生電壓1，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)技術(shù)的發(fā)展就此開始。 20 世紀(jì)50年代，由于美國(guó)航空航天局(NASA)的推動(dòng)，微生物燃料電池曾一度成為研究熱點(diǎn)。 2019 年， Kim 等發(fā)現(xiàn)：Shewanella putrefaciens可以在無(wú)外源電子介體的條件下催化 MFCs產(chǎn)電，該研究促使 MFCs技術(shù)擺脫了依賴外源電子介體的

3、瓶頸.研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，隨著在雜志的發(fā)表，標(biāo)志著能直接將電子傳遞給固體電級(jí)受體的微生物的發(fā)現(xiàn)，使得 MFC 迅速成為環(huán)保領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn) 。研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史 美國(guó)賓夕法尼亞州大學(xué)氫能源研究中心的 Bruce E.Logana 教授研究 MFC 構(gòu)型與電極材料方面的改進(jìn)，研發(fā)出了易于搭建、廉價(jià)且高效的MFC 雛形。 韓

4、國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院水環(huán)境修復(fù)中心的 Byung Hong Kim 教授和比利時(shí)根特大學(xué)微生物生態(tài)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Willy Verstraete 等則在 MFC 產(chǎn)電菌和微生態(tài)方面做了大量基礎(chǔ)研究工作，以探明 MFC 中電子產(chǎn)生與傳遞機(jī)理及微生物種群的關(guān)系及演變。 這些研究構(gòu)成了 MFC技術(shù)的基本理論框架與技術(shù)方法。研究背景01DUTResearch on Microbial Fuel Cells. The history of MFCs微生物燃料電池發(fā)展歷史2第部分微生物燃料電池基本原理基本原理02DUTBasic Principles01 Basic Principles02 微生物燃料電池是

5、利用微生物作為反應(yīng)主體，將燃料有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。其工作原理與傳統(tǒng)的燃料電池存在許多相同之處。 以葡萄糖作底物的燃料電池為例，其陰陽(yáng)極化學(xué)反應(yīng)式如下： 陽(yáng)極反應(yīng)：C6H1206+6H2OC02+24e-+24H+陰極反應(yīng)：602+24e-+24H+12H20基本原理02DUT2.1 雙室MFCs原理示意圖： 03陰極陽(yáng)極微生物負(fù)載電阻H+質(zhì)子交換膜氧化劑還原產(chǎn)物e-e-氧化產(chǎn)物直接或間接電子傳遞有機(jī)物O2H20H+ e-e-CO2H+e-基本原理02DUT Basic Principles04 離子交換膜將陽(yáng)極室與陰極室相分幵,在每一區(qū)域發(fā)生著不同的反應(yīng)。MFCs的工作過

6、程可分為以下幾個(gè)步驟: (1)在陽(yáng)極室,微生物將底物氧化,這個(gè)過程伴隨著電子和質(zhì)子的釋放,同時(shí)以細(xì)胞膜作為電子的受體; (2)釋放出來(lái)的電子進(jìn)一步從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到電池的陽(yáng)極匕經(jīng)由外電路到達(dá)MFCs的陰極,最終在陰極上與電子受體(氧化劑)結(jié)合; (3)氧化過程中生成的質(zhì)子經(jīng)電池內(nèi)部的離子交換膜擴(kuò)散到陰極區(qū),并與電子受體于陰極表面發(fā)生還原反應(yīng),氧化物質(zhì)被還原。從而完成整個(gè)MFCs的電子產(chǎn)生、傳送、流動(dòng)過程,形成電流?；驹?2DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落05 無(wú)介體微生物是 MFC 研究的主流，這類微生物可以自我產(chǎn)生電子介體或者通過自身的細(xì)胞組織進(jìn)行電子傳遞，如細(xì)胞膜電子傳遞鏈和納米導(dǎo)線，解決

7、了需電子介體微生物燃料電池的高運(yùn)行成本問題，同時(shí)也保證了功率密度的高效輸出。目前，研究報(bào)道無(wú)需外加介體的產(chǎn)電微生物主要有Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter metallireducens 、 Geopsychrobacter electrodiphilus Thermincola.sp. 、 Rhodoferax ferrireducens、Lysinibacillus sphaericus 等。 基本原理02DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落06 對(duì)于 MFC 陽(yáng)極微生物的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，普遍認(rèn)可的方式主要有細(xì)胞接觸轉(zhuǎn)

8、移、電子中介體轉(zhuǎn)移和納米導(dǎo)線轉(zhuǎn)移 3 種。著重介紹納米導(dǎo)線轉(zhuǎn)移 。 在納米導(dǎo)線方面，Lovley等認(rèn)為， 諸如 Desulfovibrio desulfuricans 等產(chǎn)電微生物的微生物納米線能更長(zhǎng)距離地傳導(dǎo)電子，穿越這種桿菌生物膜的菌絲網(wǎng)讓生物膜具有了與廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)的人造導(dǎo)電聚合物相媲美的導(dǎo)電性，電子可在其上傳導(dǎo)，傳導(dǎo)的距離可為細(xì)菌體長(zhǎng)的幾千倍，這種細(xì)菌的蛋白微絲就像真正的金屬導(dǎo)線一樣，這種作用代表了生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)基本的新特性。 基本原理02DUT2.2 產(chǎn)電微生物及其群落07 對(duì)于 MFC 中陽(yáng)極系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)，有關(guān)研究表明，利用混合菌種構(gòu)建 MFC 要優(yōu)于純菌構(gòu)建 MFC

9、的性能，因?yàn)榛旌辖臃N的 MFC 中微生物具有高度的生物多樣性，這些微生物隨著不同的運(yùn)行條件的變化而變化，其中產(chǎn)電菌通過產(chǎn)電過程直接或間接獲得能量，從而逐漸成為該體系中的優(yōu)勢(shì)微生物。 基本原理02DUT 2.3 燃料電池的電極材料08 MFC 的電極分為陽(yáng)極和陰極， 其作為微生物和催化劑的載體，以及電子轉(zhuǎn)移的導(dǎo)體，須具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性，一定的機(jī)械強(qiáng)度，廉價(jià)的成本以及電極表面與微生物具有良好的相容性。 基本原理02DUT 2.3.2 陽(yáng)極材料09 微生物燃料電池系統(tǒng)的無(wú)介體產(chǎn)電菌群主要是異化金屬還原菌，由于這些菌與過渡態(tài)金屬之間的親和作用，研究人員開始使用過渡態(tài)金屬氧化物作為電極修飾劑，以促

10、進(jìn)微生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)電能力的提升。研究比較成熟的金屬化合物主要有Fe3O4、MnO2、WC 等。 經(jīng)修飾后的陽(yáng)極能夠通過靜電吸附、與外膜表面的細(xì)胞色素酶作用等方式促進(jìn)產(chǎn)電菌群在陽(yáng)極表面的黏附，同時(shí)通過過渡金屬本身晶格上電子的不穩(wěn)定性促進(jìn)了電子的傳遞。 基本原理02DUT 2.3.1 陰極材料10 目前在 MFC 中應(yīng)用最多的還是鉑催化劑，但金屬鉑價(jià)格昂貴。近幾年來(lái)，非貴金屬氧化物催化劑由于其來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于多種電池體系，如 PbO2、MnOx、TiO2、鐵氧化物等，其中，MnO2 和 TiO2 是目前研究較多的 MFC 陰極催化劑。 過渡金屬大環(huán)化合物對(duì)氧具有電化學(xué)還原活性，

11、尤其是過渡金屬卟啉和酞菁化合物。由于大環(huán)類化合物的脫金屬作用比較強(qiáng)，在中性或者堿性的環(huán)境中是穩(wěn)定的，因此，這類催化劑適合成為中性操作條件下 MFC 的陰極催化劑。過渡金屬大環(huán)化合物的中心離子通常為 Fe、Co、Ni 等，其中以 Fe和 Co 形成的配合物具有較高的氧還原活性。 3第部分微生物燃料電池分類MFCs的分類03DUT01 依據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn),MFCs可以分為多種類型。（1按菌源的不同MFCs 可分為純菌MFCs和復(fù)合菌MFCs;（2按電子轉(zhuǎn)移方式的不同可分為直接MFCs和間接MFCs;（3按結(jié)構(gòu)的不同又可分為雙室MFCs和單室MFCs,其中按裝置中是否使用離子交換膜,雙室MFCs又可

12、細(xì)分為有膜雙室MFCs及鹽橋雙室MFCs,單室MFCs又可分為“二合一”、三合一、有膜單室及無(wú)膜單室MFCs。3.1 分類概述MFCs的分類03DUT02 近年來(lái),有不少科研工作者主要從事純菌MFCs的研究,這類MFCs以單一的細(xì)菌為考察對(duì)象。細(xì)菌或是利用細(xì)胞膜外的特殊細(xì)胞色素(如Shewmella putrefaciens),或是利用納米導(dǎo)線(如,或是通過加入電子介體(如Escherichia coli)等方式,將底物氧化并將電子轉(zhuǎn)移到電極,表現(xiàn)出良好的催化性能。但純菌的能量轉(zhuǎn)移率低,且對(duì)操作技能及運(yùn)行環(huán)境的要求較高,長(zhǎng)期運(yùn)行有被污染的風(fēng)險(xiǎn)15,通常只用來(lái)研究MFCs的工作機(jī)理,不適于MFC

13、s的實(shí)際應(yīng)用。 與純菌MFCs相比,復(fù)合菌MFCs有著顯著的有點(diǎn):抗環(huán)境沖擊能力強(qiáng);可降解底物的種類多且效率高;輸出功率大。具有產(chǎn)電性能的復(fù)合菌主要是從沉積物(海底和湖泊)或污水處理成的活性污泥馴化而來(lái),通過菌群之間的協(xié)同作用,增強(qiáng)MFCs的穩(wěn)定性,最利于MFCs的商業(yè)化運(yùn)用。 3.2 純菌MFCs和復(fù)合菌MFCsMFCs的分類03DUT03 直接MFCs是指燃料在陽(yáng)極上被氧化的同時(shí),電子直接從燃料分子上轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極上。如果燃料是在陽(yáng)極溶液或其他處所反應(yīng),產(chǎn)生的電子通過氧化還原介質(zhì)傳遞到陽(yáng)極上就稱為間接MFCs。 間接MFCs的氧化還原介體大多價(jià)格昂貴、有毒且易分解,這在一定程度上限制了MFCs

14、的商業(yè)化進(jìn)程。3.3 直接MFCs和間接MFCsMFCs的分類03DUT04 雙室MFCs由兩個(gè)電極室及分割材料組成,陽(yáng)極室(厭氧室)與陰極室(好氧室)中間使用的分割材料為離子交換膜。離子交換膜價(jià)格較昂貴,為降低制造成本,鹽橋也被廣泛用作阻止陰極室氧氣進(jìn)入陽(yáng)極室的材料。相比于離子交換膜,鹽橋的內(nèi)阻很大,造成MFCs的輸出功率很低。 單室MFCs省去了陰極室,底物在陽(yáng)極室被微生物催化氧化,電子由陽(yáng)極直接傳遞到陰極,氫離子經(jīng)過離子交換膜(或離子交換膜不存在)傳到陰極。 當(dāng)把陰極與離子交換膜壓合在一起,陽(yáng)極獨(dú)立即為 “二合一“型MFCs;當(dāng)把陽(yáng)極,離子交換膜、陰極依次壓合在一起即為三合一型MFCs;

15、當(dāng)以空氣作為電子受體,可將離子交換膜除去,即為空氣陰極無(wú)膜單室MFCs。 3.4 雙室MFCs和單室MFCsMFCs的分類03DUT05 雙室MFCs優(yōu)點(diǎn)是：電池的陰極室及陽(yáng)極室彼此分幵,便于對(duì)陽(yáng)極、陰及分割材料(離子交換膜)分別進(jìn)行研究。但是由于雙室MFCs的陽(yáng)極室和陰極室存在一定的距離,導(dǎo)致內(nèi)阻較高,從而使得輸出功率較低,并且離子交換膜的存在,不利于電池裝置的放大。 單室MFCs的優(yōu)點(diǎn)是電池的陽(yáng)極與陰極距離較近,傳質(zhì)速率較大,裝置內(nèi)無(wú)離子交換膜,進(jìn)一步提高了 MFCs的輸出功率。但兩電極距離過近且不使用離子交換膜同樣有其不利的一面,氧氣容易到達(dá)陽(yáng)極,破壞陽(yáng)極室微生物的厭氧環(huán)境,降低了 MF

16、Cs的庫(kù)倫效率。 3.4 雙室MFCs和單室MFCs4第部分微生物燃料電池應(yīng)用MFCs的應(yīng)用04DUT01 MFCs是一門將有機(jī)物在微生物的催化作用下實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。污水處理及生物發(fā)電是MFCs最初的發(fā)展動(dòng)力,也是MFCs最具商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。 到目前為止,所有的廢水處理的目的都是為了除去其中的污染物,即便是上個(gè)上世紀(jì)的活性污泥法(ASP),仍是一種能量密集型操作。據(jù)估計(jì)全美國(guó)電力消耗的2%都用于生產(chǎn)活性污泥法處理污水所需要的氧氣。因此,現(xiàn)代廢物的處理應(yīng)盡可能的變廢為寶MFCs技術(shù)處理廢水,在降解有機(jī)物的同時(shí)生產(chǎn)電能,符合“低碳生活的要求。 4.1 廢水處理及發(fā)電MFCs的應(yīng)用04D

17、UT02 MFCs能將可溶性的重金屬還原成不溶性的離子,從而將其從污染物中去除,達(dá)到生物修復(fù)的目的。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和清華大學(xué)的最新研究顯示,微生物可將污池的鹽水變?yōu)轱嬘盟a(chǎn)生電能。研究人員使用兩片特制的塑料薄膜,這種薄膜可以分離微生物產(chǎn)生的離子、電子、氣體,讓其分別流向陽(yáng)極和陰極。利用這一原理,微生物工作可最終產(chǎn)生高達(dá)90%的水,甚至可以達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。 MFCs能夠除去水中大部分的鹽分,減少了電能的消耗,因此可以降低淡化水質(zhì)的成本。 4.2 生物修復(fù)與海水淡化MFCs的應(yīng)用04DUT03 MFCs中電流或電量的生成與底物量之間存在一定的關(guān)系,故MFCs可用于底物濃度的測(cè)定,如現(xiàn)已使用

18、的乳酸傳感器及BOD傳感器。 MFCs作為生物傳感器應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性及較短的響應(yīng)時(shí)間,韓國(guó)Korbi公司生產(chǎn)的Hato就是一款滿足上述要求的精密儀器,可以檢測(cè)工業(yè)污水及生活污水并擁有很好的穩(wěn)定性和精確性。Eaton等的研究表明,MFCs在BOD的測(cè)試中具有很大的應(yīng)用前景。 4.3 生物傳感器MFCs的應(yīng)用04DUT04 MFCs有著很好的生物相容性,微生物可以利用人體內(nèi)的葡萄糖及氧氣產(chǎn)生電能,作為人造器官的電力來(lái)源。人體內(nèi)連續(xù)不斷的葡萄糖攝入和氧氣的不斷補(bǔ)充,可供MFCs永不間歇的工作。 4.4 人造器官的電源5第部分發(fā)展展望發(fā)展展望05DUT 時(shí)至今日,國(guó)內(nèi)外的科研工作者對(duì)MFCs的方方面面都已有深入的研究,但這些MFCs系統(tǒng)使用的電池裝置、電極材料、隔膜