微生物燃料電池課件

1、劉秀峰起文斌微生物和酶燃料電池節(jié)目介紹剩余污泥微生物燃料電池酶及其催化作用微生物和酶燃料電池 剩余污泥 城市污水處理廠采用活性污泥法處理污水，在處理過程中伴隨產(chǎn)生的大量的污泥。定義現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計，2010年，我國污水處理廠產(chǎn)生的剩余污泥干重高達(dá)360萬噸。這些剩余污泥必須經(jīng)過一定的處理，才能排入環(huán)境中，然而污泥處理所需成本十分高。我國剩余污泥處置費用占整個污水處理廠總投資的2560。特性 成分復(fù)雜，其中包含重金屬、病原菌、寄生蟲卵及難降解合成有機物等有害物質(zhì)。若不加以處理，將污泥直接排入環(huán)境中，會產(chǎn)生惡臭氣體，造成“二次污染”最終嚴(yán)重危害到人類的身體健康。 從微生物所需營養(yǎng)考慮，剩余污泥含有大量

2、碳水化合物、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)及氮磷營養(yǎng)元素，具備作為MFC底物燃料的基本條件。 酶及其作用酶的催化機制：能顯著提升化學(xué)反應(yīng)速率(1)“鎖和鑰匙”模式酶與底物的結(jié)合有非常強的專一性，也就是對底物具有嚴(yán)格的選擇性，即使底物分子結(jié)構(gòu)有細(xì)微的變化，酶也不能將它轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。(2)“誘導(dǎo)契合”學(xué)說“誘導(dǎo)契合”學(xué)說認(rèn)為催化部位不是現(xiàn)成的，而要經(jīng)過底物的誘導(dǎo)才能形成。這樣就可以避免那些不適合的物質(zhì)偶然 “落入” 現(xiàn)成的催化部位而被催化。 微生物燃料電池 微生物燃料電池是利用厭氧條件下的微生物作為生物催化劑，將儲存在有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型產(chǎn)電技術(shù)。（1） 微生物燃料電池的原理 微生物燃料電池產(chǎn)電的

3、基本原理分為5 個步驟：第一步是產(chǎn)電微生物氧化底物：通過微生物的代謝作用，底物在陽極室厭氧環(huán)境下被分解而釋放出電子和質(zhì)子；第二步是陽極還原：電子依靠合適的電子傳遞介體從微生物細(xì)胞傳遞至陽極表面，使電極材料發(fā)生還原反應(yīng)而被還原；第三步是電子在外電路的傳輸：通過外電路傳遞到陰極從而形成有效電流；第四步是質(zhì)子遷移：產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極；第五步是陰極的還原反應(yīng)：陰極室中的電子受體即氧化態(tài)物質(zhì)得到電子被還原。陽極電子傳遞(1) 生物膜接觸傳遞與陽極表面直接接觸的產(chǎn)電微生物，可通過c型細(xì)胞色素將細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈中電子直接傳遞至電極表面，原因可能是c型細(xì)胞色素內(nèi)血紅素基團間緊密排列，且相鄰血紅素的

4、鐵卟啉平行或垂直的特殊結(jié)構(gòu)，讓電子可以在血紅素基團間傳遞，在細(xì)胞色素間形成的蛋白復(fù)合物，使得每兩個細(xì)胞色素上血紅素基團排列靠近，讓電子在細(xì)胞色素間也得以傳遞。（2)納米導(dǎo)線輔助傳遞某些細(xì)菌的細(xì)胞表面存在一種可導(dǎo)電的納米級菌毛，協(xié)助進行電子傳遞，這種產(chǎn)電菌的菌毛被稱為納米導(dǎo)線。(3) 電子穿梭傳遞利用氧化還原介體來進行電子傳遞。，二(1)底物燃料來源廣泛，醋酸鹽、葡萄糖等純物質(zhì)燃料及生活污水、垃圾滲濾液等復(fù)雜污染物都可最為MFC的燃料；(2)反應(yīng)條件溫和，MFC是利用微生物作為催化劑，在常溫甚至低溫下都能有效運行；(3)清潔、環(huán)保，MFC最終產(chǎn)生的氣體是C02，其對環(huán)境無污染，無需處理；(4)無

5、耗能、高產(chǎn)能，MFC運行中，無需能量輸入，僅需通風(fēng)補充陰極的氣體(02)或維持陰極與空氣接觸良好；(5)生物相容性良好，MFC可直接以人體內(nèi)的葡萄糖作為燃料、氧氣作為電子接受體，從而MFC能方便地植入人體內(nèi)，作為心臟起搏器等人造器官的電源。在全球能源短缺與環(huán)境。特點如果三項結(jié)合？添加標(biāo)題 酶技術(shù)作為一種低能耗、低污染、低成本、更安全的污泥預(yù)處理技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，但對于污泥及預(yù)處理方式結(jié)合MFC技術(shù)的產(chǎn)電效率，仍缺乏系統(tǒng)研究。 微生物和酶燃料電池影響因素：溫度，酶的種類和比例（1）溫度對單一酶強化的SMFC 功率密度的影響 分別在40 、45 和50 條件下考察中性蛋白酶和-淀粉酶對剩余污泥

6、MFC 產(chǎn)電特性的強化效果（以功率密度衡量）.592 mW/m2P=UI/A=U2/（ReA）（2）（40度）混合酶對SMFC功率密度的影響（蛋白酶濃度：淀粉酶濃度）40條件下，酶比為2:3 時，復(fù)合酶促進污泥水解效率最高。功率密度有顯著的提高。776 mW/m2 由于酶的催化作用具有高度的專一性，中性蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解為胨、肽或氨基酸，-淀粉酶只能催化淀粉水解為小分子的多糖甚至單糖，所以當(dāng)只加入一種酶時（中性蛋白質(zhì)或-淀粉酶）時，只能強化蛋白質(zhì)或者淀粉或纖維素的水解，而另一種物質(zhì)的水解得不到強化，因此污泥液相中溶解性可以被產(chǎn)電微生物直接利用的小分子有機物濃度就低，從而限制了產(chǎn)電性能。（3）混合酶強化剩余污泥燃料電池庫侖效率電子回收率，也稱為庫倫效率（CE），即產(chǎn)生有效電流的電子總量與剩余污泥中有機物氧化所釋放電子總量的比值。 隨著淀粉酶比例升高，CE 有增大趨勢。當(dāng)酶比為1:4 時獲得最高的C（18.3%）（4）碳納米管的酶電極的制備展望 可再生的新能源與人們賴以生存的環(huán)