生物燃料電池

生物燃料電池第1頁/共23頁

一、生物燃料電池的研究背景

2023/4/19由于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)全速發(fā)展，全球化石能源面臨短缺問題：石油約40年天然氣約67年煤炭約167年第2頁/共23頁化石燃料的燃燒對環(huán)境的影響2023/4/19化石燃料的的使用大氣污染：酸雨，光化學(xué)煙霧，溫室效應(yīng)等土壤污染：重金屬沉積等水環(huán)境污染：含礦廢水第3頁/共23頁2023/4/19因此，尋求可再生的新能源已引起廣泛的關(guān)注，微生物燃料電池(microbialfoulcells,MFC)是一種可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及產(chǎn)能的新概念的裝置。在此情況下微生物燃料電池作為一種可利用有機(jī)廢物產(chǎn)能的裝置正走向世界能源的舞臺。

微生物燃料電池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。第4頁/共23頁

二、微生物燃料電池的原理

2023/4/19典型的MFC系統(tǒng)由陽極室、陰極室、質(zhì)子交換膜(Protonexchangemembrance，PEM)構(gòu)成，質(zhì)子交換膜將陽極室和陰極室分隔開。將陽極室控制為厭氧環(huán)境，而陰極室一般為開放環(huán)境。微生物燃料電池即是利用陽極室內(nèi)細(xì)菌作為催化劑，通過細(xì)菌降解有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子先傳至細(xì)胞外，經(jīng)納米導(dǎo)線或中間體傳輸至陽極，再經(jīng)過外電路負(fù)載到達(dá)陰極，在陰極與電子受體結(jié)合，由此產(chǎn)生電能；質(zhì)子從陽極室通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極與氧氣或是其他物質(zhì)結(jié)合，完成電池內(nèi)的電荷傳遞。以葡萄糖為陽極室基質(zhì)，氧氣為陰極電子受體的MFC原理圖見圖1-1。第5頁/共23頁2023/4/19圖1-1微生物燃料電池原理圖[1]第6頁/共23頁2023/4/19陽極半反應(yīng)：陰極半反應(yīng)：微生物燃料電池的基本原理打破了微生物呼吸鏈電子的傳遞方向，利用電極作為細(xì)胞呼吸過程的終端電子受體，把電子從細(xì)胞內(nèi)引到了細(xì)胞以外的外界環(huán)境，進(jìn)而延伸到整個電池結(jié)構(gòu)體系中，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)變。第7頁/共23頁微生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：2023/4/19燃料的廣泛MFC可以利用多種物質(zhì)進(jìn)行產(chǎn)電，例如乳酸，葡萄糖，生活污水。操作條件溫和而無污染。MFC—般在常溫、常壓及中性條件下工作。唯一產(chǎn)物為水。成本較低MFC的構(gòu)建材料廉價易得，工作條件溫和第8頁/共23頁

三、微生物燃料電池的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

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微生物燃料電池是一種很具應(yīng)用前景的技術(shù)，與普通的燃料電池相比，其更加環(huán)保，來源更為廣泛；與普通的污水處理技術(shù)相比較，在處理污水的同時還能額外獲得能量。尤其在目前能源供應(yīng)問題日益凸顯，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，微生物燃料電池技術(shù)更顯示出無法比擬的優(yōu)越性。

另外有學(xué)者在固體介質(zhì)如土壤、底泥中應(yīng)用MFC技術(shù)，發(fā)現(xiàn)植物生長過程中根系分泌物對微生物的刺激作用可以使電流輸出功能功率提高7倍[7]。第9頁/共23頁微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用

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傳統(tǒng)廢水處理工藝需求能量較高，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)已成為當(dāng)今國際社會共同面臨的重大問題。因此，尋求低能耗、無污染或少污染、經(jīng)濟(jì)效益好的廢水處理工藝是水污染控制領(lǐng)域亟需研究解決的重要課題。在美國，每天會產(chǎn)生126千萬升的污水，用傳統(tǒng)的方法處理這些污水就會消耗3%的產(chǎn)電量。每立方米污水需要消耗大概0.6kwh的能量，其中一半用于好氧微生物的的氧補(bǔ)給。而每立方米的污水含有2kwh的化學(xué)能。若生物燃料電池的成本控制在合適的范圍內(nèi)，污水處理裝置就可以作為能量的產(chǎn)出裝置[2]。第10頁/共23頁2023/4/19

化工廢水極高的COD、高鹽度、對微生物有毒性。MFC處理

制藥廢水抗氧化性強(qiáng)，對微生物生長的抑制性強(qiáng)，難以生物降解。

垃圾滲濾液BOD5和COD濃度高、重金屬含量較高、氨氮的含量較高。研究表明，以下廢水都可以用MFC技術(shù)得到很好的處理[3]。第11頁/共23頁MFC在固體廢物堆肥中的應(yīng)用

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有學(xué)者在固體介質(zhì)如土壤、底泥中應(yīng)用MFC技術(shù)，發(fā)現(xiàn)植物生長過程中根系分泌物對微生物的刺激作用可以使電流輸出功能功率提高7倍。接下來介紹MFC技術(shù)新的應(yīng)用方向，在堆肥處理固體有機(jī)廢物過程中構(gòu)建MFC，將堆肥中產(chǎn)生的生物能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。利用MFC可將堆肥中的廢氣和廢液進(jìn)行二次生物處理，在減輕或消除毒害的同時產(chǎn)生易于利用的電能，具有重要的實(shí)際意義。微生物燃料電池在有機(jī)廢物的處理中具有無污染和產(chǎn)能的優(yōu)勢，在固體廢物堆肥中的應(yīng)用與溶液和廢水中相比又體現(xiàn)出新的特點(diǎn)。第12頁/共23頁2023/4/19固體廢物堆肥微生物燃料電池的特點(diǎn)：

與廢水作為底物的MFC相比，堆肥產(chǎn)電過程不需要頻繁更換底物，為產(chǎn)電菌的富集和生長提供了更加穩(wěn)定的外部環(huán)境。由于堆肥的物料有機(jī)質(zhì)含量高，在長時間內(nèi)可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電流輸出，具有較大的市場潛力。相對于廢水需要外加熱量來保持適宜的溫度，固體廢物堆肥可以通過自身產(chǎn)熱來提高溫度，不需要人工加熱。質(zhì)子從陽極區(qū)向陰極區(qū)的傳遞效率對MFC的性能是非常重要的[4]。第13頁/共23頁

MFC技術(shù)資源化利用剩余污泥

2023/4/19剩余污泥的處理處置一直以來都難以達(dá)到滿意的效果，已經(jīng)成為制約污水處理事業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，其處置形勢已經(jīng)十分嚴(yán)峻，因此，尋求經(jīng)濟(jì)有效的減量化、穩(wěn)定化以及資源化污泥處理處置技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以MFC技術(shù)來處理剩余污泥成為污泥處理的又一新方向。此法不但可以減少污泥處置費(fèi)用，還可以使污泥減量化，又能將污泥中豐富的有機(jī)質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。第14頁/共23頁2023/4/19MFC資源化利用剩余污泥有兩種形式：直接利用：間接利用：微波預(yù)處理剩余污泥剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)生的VFA作為燃料剩余污泥可作為微生物燃料電池的燃料，處理污泥并同步發(fā)電即，微生物燃料電池技術(shù)資源化利用剩余污泥是可行的，可產(chǎn)生一定的電壓與輸出功率密度（較低）第15頁/共23頁2023/4/19

直接利用剩余污泥為燃料的微生物燃料電池技術(shù)，其電壓和輸出功率密度較低。為了提高微生物燃料電池技術(shù)的產(chǎn)電性能，可對剩余污泥進(jìn)行一定的預(yù)處理，間接利用剩余污泥為微生物燃料電池的燃料。第16頁/共23頁MFC作為生物傳感器2023/4/19

生物傳感器是指能提供定量或者半定量分析的一種裝置，包括生物識別元素和信號傳輸放大元素。由于微生物燃料電池的電流（電壓）或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在對應(yīng)關(guān)系，因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測定，如有機(jī)碳、廢水

BOD以及有毒物質(zhì)等，其中用于廢水中

BOD測定的研究最為成熟，已有相關(guān)報(bào)道[5]。第17頁/共23頁微生物電解產(chǎn)氫2023/4/19微生物燃料電池由于輸出效率低，難以直接應(yīng)用，而MFC電助產(chǎn)氫技術(shù)是較有前途的一種方式。其工作原理：無氧條件下，對雙室MFC陰極施加一個遠(yuǎn)小于水分解電壓的小電壓，可促進(jìn)轉(zhuǎn)移到陰極的電子和質(zhì)子結(jié)合生成氫氣，達(dá)到利用MFC系統(tǒng)產(chǎn)氫的目的。生物燃料電池電助產(chǎn)氫反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是陰極省略了MFC常用的電子受體—?dú)錃猓杀苊庖蜓鯕馔ㄟ^質(zhì)子交換膜向陽極擴(kuò)散而影響反應(yīng)器運(yùn)行；同時該工藝產(chǎn)生的氫氣純度較高，可積累、儲存及運(yùn)輸，推動了MFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[6]。第18頁/共23頁

三、結(jié)語與展望

2023/4/19微生物燃料電池近年來受到廣泛學(xué)者的關(guān)注，其作用機(jī)理已漸漸被人們所熟知，為擴(kuò)大微生物燃料電池的應(yīng)用范圍眾多科學(xué)家做著不懈的努力?，F(xiàn)微生物燃料電池應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行主演研究：在MFC中菌種方面，從極端環(huán)境中（如深海底泥、高溫環(huán)境等）篩選耐受能力強(qiáng)的產(chǎn)電菌，進(jìn)一步研究產(chǎn)電菌電子的產(chǎn)生、傳遞機(jī)理，微生物群落的多樣性及其演替規(guī)律，對高效產(chǎn)電微生物進(jìn)行基因改造等。優(yōu)化MFC的結(jié)構(gòu)、電極材料和運(yùn)行方式等，尤其是空氣陰極以及生物陰極方面，以使其能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中第19頁/共23頁2023/4/19微生物電化學(xué)合成是近兩年微生物燃料電池新的發(fā)展方向，有待于進(jìn)一步深入研究。

嘗試MFC的工程放大，實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。第20頁/共23頁參考文獻(xiàn)2023/4/19[1]陳德瑩.微生物燃料電池系統(tǒng)構(gòu)建及相關(guān)微生物學(xué)研究(碩士學(xué)位論文).揚(yáng)州，揚(yáng)州大學(xué)，2013年.[2]XingXie,GuihuaYu,NianLiu,CraigS.Criddle,YiCui.Graphene-spongesashigh-performancelow-costanodesformicrobialfuelcells.Energy&EnvironmentalScience.2012.6862-6866.[3]郭偉,王藝菲,銀曉靖,孫劍輝.微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2012,40,93-108.[4]崔晉鑫,王鑫,唐景春.微生物燃料電池在固體廢物堆肥中的應(yīng)用進(jìn)展[J].生物工程學(xué)報(bào),2012,28,295-3