微生物燃料電池文獻(xiàn)綜述

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC 是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué) 能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 其基本工作原理是:在陽(yáng)極室厭氧環(huán)境下, 有機(jī)物在微生物作用 下分解并釋放出電子和質(zhì)子, 電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效 傳遞,并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流,而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極,氧化劑 (一般為氧氣 在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水 1。隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重 , 微生物燃料電池作為一項(xiàng)新型的污水處理和能 源回收技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注 , 并對(duì) MFC 的產(chǎn)電機(jī)理、產(chǎn)電微生物、電子傳遞 機(jī)理、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、電極材料

2、等進(jìn)行了廣泛的研究。有研究表明 , 影響 MFC 產(chǎn)電的主要因素 有 :產(chǎn)電微生物、外阻、基質(zhì)種類(lèi)和濃度、溶液的 pH 、溫度、緩沖溶液等。為了更好地研究 陽(yáng)極 , 微生物燃料電池的陰極大多采用非生物陰極 , 如在陰極添加 Pt 作為氧氣還原的催化劑以及采用過(guò)渡金屬 (Fe或者 Co 化合物、鐵氰化鉀溶液等 2。鐘登杰等 3認(rèn)為雖然非生物陰極具有良好的產(chǎn)電性能 , 但也存在催化劑價(jià)格昂貴、容易失效、 需要經(jīng)常替換等缺點(diǎn),限制了非生物陰極微生物燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展。于是, 研究 者們開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)一種能夠可持續(xù)發(fā)展的微生物燃料電池。 其中, 生物陰極微生物燃料電 池由于具有建造和運(yùn)行費(fèi)用低、 可

3、持續(xù)發(fā)展性強(qiáng)、 可產(chǎn)生有用物質(zhì)或者去除無(wú)用的化合物等 優(yōu)點(diǎn)而引起研究者們的關(guān)注。作者搭建了一個(gè)生物陰極微生物燃料電池 , 并以輸出電壓和庫(kù) 侖效率 (CE為指標(biāo), 考察了外阻、基質(zhì)濃度、 緩沖溶液對(duì) MFC 產(chǎn)電性能的影響。研究結(jié)果表 明當(dāng)外阻 50時(shí) MFC 能穩(wěn)定運(yùn)行。 MFC 的 CE 隨著外阻的減小而增加。隨著基質(zhì)初始 濃度的增加 ,MFC 穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間延長(zhǎng) , 但 CE 會(huì)降低。添加緩沖溶液有利于提高 MFC 的輸 出電壓和 CE, 使陰極和陽(yáng)極溶液的 pH 保持在中性附近 , 有利于微生物的生長(zhǎng)。易丹等 4研究了厭氧活性污泥接種的雙室微生物燃料電池分別供給以乙酸鈉和淀粉為底物的人

4、工配水的產(chǎn)電情況和有機(jī)物去除效果。結(jié)果表明, MFCs 中能量的輸出與底物的種 類(lèi)有關(guān),使用乙酸鈉和淀粉達(dá)到的最大輸出電壓分別為 0.43V 和 0.39 V,最大功率密度分 別為 36.03和 6132 mW/m2, 簡(jiǎn)單底物的輸出電壓和功率密度高于復(fù)雜底物。 MFCs 在產(chǎn)電同時(shí) 還可有效去除水中的有機(jī)物, 288 h時(shí)以乙酸鈉和淀粉為底物的 MFCs 中 TOC 的去除率分別 為 91.15%和 83.20%, NH3-N 的去除率分別為 90.31%和 86.20%。掃描電鏡發(fā)現(xiàn), 2種底物下 MFCs 陽(yáng)極表面的微生物形態(tài)差異顯著, 以乙酸鈉為底物的 MFCs 陽(yáng)極表面生物相主要為桿

5、菌 和弧菌;以淀粉為底物的陽(yáng)極表面主要是球菌,表明不同底物條件下 MFCs 中所形成的微生 物優(yōu)勢(shì)種群也不同。張玲等 5寫(xiě)道:通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),以硝酸鹽為電子受體的 MFC 在間歇運(yùn)行過(guò)程中,陰極出現(xiàn)了不同程度的亞硝酸鹽積累, 由于亞硝氮對(duì)水質(zhì)會(huì)造成不利影響, 同時(shí)會(huì)降低陰極電勢(shì) 進(jìn)而影響 MFC 產(chǎn)電, 需采取措施加以克服。 本研究在考察負(fù)載大小、 進(jìn)水特性 (包括硝酸鹽 濃度和有機(jī)物濃度 對(duì)雙筒型 MFC 產(chǎn)電和反硝化能力的影響基礎(chǔ)上, 提出抑制亞硝酸鹽積累 的措施。研究表明: MFC電流越大,硝酸鹽去除速度越高,但亞硝酸鹽的積累現(xiàn)象明顯。 當(dāng)外電阻從 50下降到 5 ,硝酸鹽去除速率由 0.

6、 26 mg/(L·h 上升到 0. 76 mg /(L·h , 在外電阻為 5時(shí),亞硝氮積累濃度達(dá) 55 mg/L。硝酸鹽起始濃度在 20 120 mg/L時(shí)硝酸鹽去除速度基本相同, 此時(shí)硝酸鹽去除滿足 0級(jí)反應(yīng)。 有機(jī)物的加入能提高陰極反硝 化速度,避免亞硝酸鹽積累,有機(jī)物 COD 濃度在 30 270mg / L時(shí)對(duì) MFC 產(chǎn)電影響不大。陳立香等 6認(rèn)為根據(jù)厭氧、 好氧操作體系的不同將生物陰極進(jìn)行分類(lèi); 歸納總結(jié)了微生物組成、 電極和分隔材料的研究進(jìn)展, 探討了生物陰極在去除污染物和生成高附加值產(chǎn)品中 的實(shí)際應(yīng)用,并提出了其將來(lái)發(fā)展的可能方向。黃麗萍等 7簡(jiǎn)要介紹微

7、生物燃料電池研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上, 系統(tǒng)綜述了該技術(shù)及與其他技術(shù)耦合在生物質(zhì)能利用方面的最新研究進(jìn)展, 重點(diǎn)分析了其中存在的問(wèn)題, 并展望了該技術(shù)在 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和利用方面的研究前景。G.S.Jadhav 等 8介紹了對(duì)微生物燃料電池性能的影響的幾種重要自然因素。詹亞力等 9以醋酸鈉水溶液為原料, 構(gòu)建了一個(gè)無(wú)媒介體、 無(wú)膜的單室微生物燃料電池,考察了溶液的濃度、外電阻、溫度和氧氣的加入等因素對(duì)電池性能的影響 , 監(jiān)測(cè)了電池外電 壓和兩極電極電勢(shì)的變化過(guò)程, 分析了微生物燃料電池的運(yùn)行機(jī)理。 研究結(jié)果表明 : 陽(yáng)極 吸附的微生物的活性是影響電池輸出電壓 (輸出功率 的關(guān)鍵因素。 營(yíng)養(yǎng)液初始濃度越高,

8、 微 生物活性越高,輸出最大電壓越高,輸出電壓與濃度之間的關(guān)系符合 MONOD 方程 ; 溶液中溶 氧的存在使微生物活性明顯降低, 但溶氧濃度降低到一定程度后, 活性逐步恢復(fù); 隨著電池 溫度的升高,微生物活性快速上升, 但溫度突變到 50e 后, 微生物活性明顯降低;電池?fù)Q 水后 , 由微生物活性所決定的陽(yáng)極電勢(shì)迅速達(dá)到平衡 , 而陰極電勢(shì)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到 極大值;隨電流密度的變化 , 兩極電極電勢(shì)相應(yīng)發(fā)生變化,其變化趨勢(shì)符合原電池的基本 規(guī)律;隨外電阻的變化,電池輸出功率出現(xiàn)極大值,即當(dāng)外電阻為 200時(shí),電池輸出功 率達(dá)到 346 mW /m²。馮玉杰等 10以多孔碳紙為

9、陽(yáng)極 , 耐水性電催化材料為陰極, 設(shè)計(jì)了無(wú)媒介雙室微生物燃料電池 (MFC。 以厭氧污泥為出發(fā)菌株 , 乙酸鈉為底物 , 外接一定負(fù)載條件下 , 進(jìn)行 MFC 產(chǎn)電過(guò) 程研究。分別研究進(jìn)水質(zhì)量濃度在 800 mg/L, 1200 mg/L, 1600 mg/L, 2000 mg/L,以及在 外電阻條件為 400、 600、 800、 1000, 水力停留時(shí)間 48 h 時(shí),負(fù)載兩端的電壓、功 率密度、 電化學(xué)池中生物量 (VSS和出水 COD 的變化規(guī)律。 結(jié)果表明, 進(jìn)水質(zhì)量濃度升高時(shí) , 陽(yáng)極池內(nèi)生物量減少 , COD 去除率降低, MFC 功率密度提高。在進(jìn)水乙酸鈉質(zhì)量濃度為 2000

10、 mg/L時(shí), MFC 最高功率密度為 35171 mW /m², 電流密度為 345 mA/m²。外電阻阻值降低后, 平均出水 COD 升高, MFC 電流升高, 陽(yáng)極池微生物產(chǎn)電能力增強(qiáng)。 得出了這樣的結(jié)論: MFC 在去除有機(jī)廢水 COD 的同時(shí) , 可以產(chǎn)生生物電能 , 本研究中 , 功率密度可達(dá) 35171 mW /m²。 負(fù)載一定的情況下 , 增加進(jìn)水質(zhì)量濃度無(wú)介體雙室 MFC 的輸出電壓升高 , 陽(yáng)極生物量減少 , COD 去除率降低,單位生物 COD 去除量增加。進(jìn)水質(zhì)量濃度不變 , 隨著外電路負(fù)載降低, 開(kāi)始電路中電流基本無(wú)變化。當(dāng)負(fù)載降低到 6

11、008時(shí),電流增大。此過(guò)程中反應(yīng)器 COD 去除 能力下降 , 微生物產(chǎn)電能力明顯加強(qiáng)。 載鉑碳紙作為陰極材料時(shí), 性能明顯優(yōu)于釕鈦陰極, 相同條件下,負(fù)載兩端電壓可升高 83%。張樂(lè)華等 11研究了以鐵錳氧化細(xì)菌為催化劑的生物陰極穩(wěn)定產(chǎn)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物硝化反應(yīng)的可行性以及其影響因素,并對(duì)生物陰極中的鐵錳氧化細(xì)菌以及硝化細(xì)菌進(jìn)行了計(jì)數(shù)。 以鐵錳氧化細(xì)菌為催化劑的生物陰極 MFCs 的啟動(dòng)時(shí)間為 150200 h ,運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),最高電 壓達(dá) 600mV 。 研究表明, 該生物陰極在穩(wěn)定產(chǎn)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生物硝化反應(yīng), 其 NO 3-N 的生成速率為 0.79m/(L·h , NO 2-N

12、 最高質(zhì)量濃度為 1.56mg/L;陰極進(jìn)水中 NH 4-N 以及 Do 濃度均是重要影響因素; 對(duì)生物陰極中的鐵錳氧化細(xì)菌以及硝化細(xì)菌計(jì)數(shù)結(jié)果表明, 鐵錳氧 化細(xì)菌為 7.5×106MPN /mL ,硝化細(xì)菌為 9.3×105 MPN/mL 。由于具有生物和電化學(xué)催化的雙重功能, 生物陰極已在污染物處理與資源回收等方面表 現(xiàn)出了較佳的性能, 目前已成為 MFCs 研究的重要方向之一, 但由于起步較晚, 生物陰極的 相 關(guān) 研 究 報(bào) 道 相 對(duì) 不 多 , 尤 其 是 生 物 陰 極 研 究 中 缺 少 如 陽(yáng) 極 體 系 中 Geobacter- sulfurreduc

13、ens 、 Shewanellaoneidensis 等模式菌株,可以用來(lái)研究電極反應(yīng)機(jī)理。目前, 研究者對(duì)生物陰極微生物的作用機(jī)理尤其是電子傳遞機(jī)制還不夠了解, 限制了其功能的提高并進(jìn)而影響了實(shí)際應(yīng)用 12。關(guān)于生物陰極下一步研究的重點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面 : 通過(guò)使用基因和蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)技術(shù) ( 如基因組學(xué)技術(shù)、 蛋白質(zhì)二維電泳等 深入研究陰極微 生物組成、 演替和功能; 在微生物學(xué)基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代分析化學(xué)與電化學(xué)分析技術(shù), 闡明 污染物代謝途徑和陰極 -微生物電子傳遞機(jī)制;探索高效、低成本的陰極和隔膜材料,從 而在提高生物陰極處理效率的同時(shí)降低構(gòu)建成本, 以利于生物陰極的推廣應(yīng)用; 應(yīng)用

14、微生 物電合成闡明微生物的代謝途徑及微生物與電極表面的相互作用,擴(kuò)展了生物電極的功能 化, 為基因工程改造產(chǎn)電菌從而提高整體微生物燃料電池的性能提供理論依據(jù), 也是未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向 13。MFC 自身潛在的優(yōu)點(diǎn)使人們對(duì)其在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用的發(fā)展前景看好。 目前, MFC 的研 究主要集中在兩方面:通過(guò)分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)剖析細(xì)胞與電極間的相互作用, 改 進(jìn)和調(diào)控電活性微生物細(xì)胞, 降低或去除電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的屏蔽作用或阻力, 以及反應(yīng)器構(gòu)型的改進(jìn), 以期進(jìn)一步提高 MFC 產(chǎn)電功率和生物質(zhì)能利用效率; 開(kāi)展 MFC 產(chǎn)業(yè)化研究 14。從廢棄物的利用角度看, MFC 已具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但目

15、前 MFC 制造成本偏高,使得經(jīng)濟(jì)價(jià) 值降低。昂貴的陰極催化劑和陰極材料是 MFC 成本高的主要原因。尋找高性能、低成本化 學(xué)催化劑和陰極材料以及生物陰極是 MFC 生物質(zhì)能利用的發(fā)展方向。 在生物質(zhì)來(lái)源方面, 廢 水類(lèi)生物質(zhì)可以被 MFC 有效利用。對(duì)纖維類(lèi)生物質(zhì)特別是植物纖維,消除或減輕預(yù)處理或 降解后生成的酚類(lèi)、呋喃類(lèi)等抑制劑對(duì)生物活性的影響是 MFC資源化利用過(guò)程中需要重點(diǎn) 解決的問(wèn)題。 最后, 結(jié)合 MFC 現(xiàn)有性能和特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的電能和化學(xué)品聯(lián)產(chǎn)耦合過(guò)程如 MFC 副產(chǎn) H2O 2、利用 CO2的 MFC 副產(chǎn)甲烷或有機(jī)物等是 MFC 發(fā)展的新方向。結(jié)合雙室 MFC 膜 結(jié)構(gòu)性能和

16、特點(diǎn)開(kāi)展起來(lái)的 MFC 海水淡化技術(shù)以及 MFC 生產(chǎn)堿技術(shù),也拓展了 MFC 的發(fā) 展空間和應(yīng)用范圍。近年來(lái),微生物技術(shù)、納米材料技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)、化學(xué)和環(huán)境工程的 巨大發(fā)展和進(jìn)步,為 MFC 研究提供了有利的物質(zhì)、知識(shí)和技術(shù)儲(chǔ)備。因此,在不遠(yuǎn)的將來(lái)MFC 有望在生物質(zhì)能的高效轉(zhuǎn)化和利用方面取得重要進(jìn)展 15。1 陳陽(yáng). 生物陰極型微生物燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及同步脫氮除碳研究 D. 北京:北科技大 學(xué), 2009.2 盧娜,周順桂,張錦濤,等.利用玉米浸泡液產(chǎn)電的微生物燃料電池研究 J.環(huán)境科 學(xué), 2009, 30(2:563-567.3 鐘登杰 , 黃霞 , 梁鵬 , 夏雪 . 生物陰極微生

17、物燃料電池產(chǎn)電性能的研究 J.中國(guó)給水排水 ,2010,26(1:9-114 易丹 , 陶虎春 , 李兆飛 , 梁敏 , 曾立武 . 雙室微生物燃料電池利用乙酸鈉和淀粉產(chǎn)電研究 J.環(huán)境科學(xué)研究 ,2008,21(3:141-1455 梁鵬 , 張玲 , 黃霞 , 范明志 , 曹效鑫 . 雙筒型微生物燃料電池生物陰極反硝化研究 J.環(huán) 境科學(xué) ,2010,31(8:1932-19356 陳立香 , 肖勇 , 趙峰 . 微生物燃料電池生物陰極 J.化學(xué)進(jìn)展 ,2012,24(1:157-162 7 黃 麗 萍 , 成 少 安 . 微 生 物 燃 料 電 池 生 物 質(zhì) 能 利 用 現(xiàn) 狀 與 展

18、 望 J.生 物 工 學(xué) 報(bào) ,2010,26(7:942-9498 G.S.Jadhav,M.M. Ghangrekar.Performance of microbial fuel cell subjected to variation in pH,temperature,external load and substrate concentrationJ. Bioresource Technology, 2009:717-723.9詹亞力 , 王琴 , 張佩佩 , 閆光緒 , 郭紹輝 . 微生物燃料電池影響因素及作用機(jī)理探討 J.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào), 2008,01:144-14910馮玉杰 , 王鑫 , 李賀 , 任南琪 . 乙酸鈉為基質(zhì)的微生物燃料電池產(chǎn)電過(guò)程 J.哈爾濱工 業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,39(12:1890-1895