微生物電池的原理與應(yīng)用

1、微生物燃料電池(MFC)，微生物電池的原理和應(yīng)用，相關(guān)概念，發(fā)展歷史，工作原理，生產(chǎn)原理和效率，電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)狀，應(yīng)用和方向，目錄，相關(guān)概念，燃料電池：一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。生物燃料電池：利用酶或微生物組織作為催化劑將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。微生物燃料電池在英語中被稱為微生物燃料電池，是一種利用微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它主要分為雙室式和單室式。雙室MFC由被質(zhì)子交換膜分隔的陽極區(qū)和陰極區(qū)組成。單室多功能體適一體機(jī)節(jié)省了陰極面積，陽極和陰極在同一個(gè)室中工作。發(fā)展歷史，1911年，英國(guó)植物學(xué)家波特，創(chuàng)始人；劍橋大

2、學(xué)的科恩教授構(gòu)建了微生物細(xì)胞堆。1970年，生物燃料電池概念的定義；自1980年以來，生物燃料電池的輸出功率大大增加。2002年，邦德發(fā)現(xiàn)了特殊的微生物芽孢桿菌。2006年，美國(guó)的布魯斯教授、韓國(guó)的比昂教授和比利時(shí)的威利教授對(duì)MFC進(jìn)行了大量的研究。工作原理：有機(jī)物作為燃料在厭氧陽極室被微生物氧化。產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并轉(zhuǎn)移到電池的陽極。電子通過外部電路到達(dá)陰極，從而形成產(chǎn)生電流的回路。質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，并與電子受體(氧)反應(yīng)生成水。陽極和陰極反應(yīng)如下：陽極反應(yīng)：(CH2O) n nh2onco2 4ne- 4nh陰極反應(yīng)：4e-O2 4h2o，工作原理圖，生產(chǎn)率原理和效率，MFC

3、本質(zhì)上是一個(gè)收集微生物代謝產(chǎn)生的電子并引導(dǎo)電子產(chǎn)生電流的系統(tǒng)。MFC的功率輸出取決于系統(tǒng)傳輸?shù)碾娮拥臄?shù)量和速率以及陽極和陰極之間的電勢(shì)差。由于燃料電池不是熱機(jī)系統(tǒng)，避免了卡諾循環(huán)的熱力學(xué)限制，理論上燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的最有效裝置，最大效率可接近100%。根據(jù)微生物燃料電池的組成，陽極負(fù)責(zé)微生物的附著和電子的轉(zhuǎn)移，可以說是決定微生物燃料電池發(fā)電能力的重要因素，也是研究微生物發(fā)電和電子轉(zhuǎn)移機(jī)理的重要輔助工具。目前，MFC陽極主要由碳制成，包括碳紙、碳纖維布、石墨棒、碳?xì)?、泡沫石墨和碳纖維刷。陽極是微生物氧化和分解有機(jī)物的地方，所以微生物的數(shù)量也會(huì)影響到發(fā)電量。因此，陽極材料的選擇主要是考

4、慮材料的比表面積。質(zhì)子可滲透材料可以是鹽橋或多孔陶瓷膜。理想的材料是微孔材料，只允許質(zhì)子通過，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧氣都被截留。目前，質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜主要用于測(cè)試。最新研究表明，陰極是制約MFC發(fā)電的主要原因之一。最理想的陰極電子受體應(yīng)該是氧，但從氧的還原動(dòng)力學(xué)來看，氧的還原速率相對(duì)較慢，這直接影響到MFC的發(fā)電性能。因此，向陰極添加各種催化劑以提高氧還原速率的研究開始了。根據(jù)陰極催化劑的類型，MFC陰極可分為非生物陰極和生物陰極。貴金屬鉑，過渡金屬大環(huán)化合物，金屬氧化物，多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)

5、串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)多級(jí)串聯(lián)填充式多相流反應(yīng)器類似于流化床反應(yīng)器。燃料電池的優(yōu)勢(shì)(1)多種燃料源：可使用有機(jī)、無機(jī)、微生物呼吸代謝物、發(fā)酵產(chǎn)物和污水等。其不能被普通燃料電池用作燃料。(2)電池的運(yùn)行條件相對(duì)溫和：由于使用了微生物作為催化劑，電池可以在常溫常壓下運(yùn)行，這不同于現(xiàn)有的發(fā)電過程，從而使電池的使用壽命大大延長(zhǎng)(4)微生物本身可以在沒有能量輸入：的情況下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將燃料能量轉(zhuǎn)換成電能并為人類提供能量。(5)由于微生物燃料電池的唯一產(chǎn)品是水，該技術(shù)無污染，可實(shí)現(xiàn)零排放。(6)能源利用率高。能量轉(zhuǎn)換過程沒有燃燒步驟，化學(xué)能可

6、以直接轉(zhuǎn)換成電能。能源利用率高。微生物電解槽(MEC)是一種利用廢水生產(chǎn)氫氣的新技術(shù)。由于產(chǎn)電細(xì)菌可以釋放電子，所以氫的產(chǎn)生可以通過使用MFC形式的反應(yīng)器來進(jìn)行。微生物氧化底物釋放電子，電子與同時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子結(jié)合形成氫，但這一過程不能單獨(dú)完成，需要電化學(xué)來幫助它產(chǎn)生氫。也就是說，向電路施加電壓。所以這個(gè)過程也被稱為電輔助制氫。用于鹽水脫鹽的微生物脫鹽罐。當(dāng)前的海水淡化技術(shù)需要高電壓和大量電能。研究人員以乙酸為底物，不同初始濃度的鹽水構(gòu)建的多相流可以達(dá)到90%的脫鹽率。就應(yīng)用發(fā)展前景和微生物燃料電池而言：替代能源；(2)傳感器；(3)污水處理新技術(shù)；微生物燃料電池特殊環(huán)境中未培養(yǎng)細(xì)菌的富集。生物質(zhì)能作為一種替代能源，在機(jī)器人、汽車和醫(yī)療方面有著廣泛的應(yīng)用潛力，因?yàn)镸FC直接將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能。隨著微生物傳感器的發(fā)展和MFC廣泛應(yīng)用的原理，一種新型的生化需氧量傳感器被開發(fā)出來。原則如下：電池產(chǎn)生的電流與充電的污染物濃度之間存在良好的線性關(guān)系；(2)電池電流對(duì)污水的響應(yīng)速度更快；重復(fù)性好。目前，作為一種新型的水處理工藝，化學(xué)能污水中循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)一直是MFC研究的主要目的。然而，在研究中，經(jīng)過污水處理后的MFC的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果引起了開發(fā)新的污水處理技術(shù)的研究人員的極大興趣，以了解MFC的基本工作原理。優(yōu)點(diǎn)：1)為微生物燃料電池提供了一個(gè)新的研究方向；2)為污水處理和變廢為寶提供了新的發(fā)展