微生物電池的原理與應(yīng)用

1、微生物燃料電池（MFC）,微生物電池的原理與應(yīng)用,相關(guān)概念 發(fā)展歷史 運(yùn)行原理 產(chǎn)能原理及效率 電池結(jié)構(gòu) 電池優(yōu)勢(shì) 現(xiàn)狀、應(yīng)用及方向,目錄,相關(guān)概念,燃料電池（fuel cell）：一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。 生物燃料電池（biofuel cell）：利用酶或者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。 MFC，英文全稱為microbial fuel cell，是以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。主要分為雙室MFC和單室MFC。雙室MFC由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成，中間用質(zhì)子交換膜分開。而單室MFC即省去了陰極區(qū)，陽極

2、和陰極在同一個(gè)室內(nèi)工作。,發(fā)展歷史,1911，英國(guó)植物學(xué)家potter，開創(chuàng)； 劍橋大學(xué)cohen教授構(gòu)建了微生物電池堆；,1970，生物燃料電池概念確定； 1980后，生物燃料電池輸出功率有較大提高 2002，bond發(fā)現(xiàn)特殊微生物地桿菌； 2006，美國(guó)bruce教授、byung(韓國(guó)）和比利時(shí)willy教授在MFC上做了大量研究。,運(yùn)行原理,有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與電子受體 （氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示： 陽極反應(yīng)： (CH2O)nn

3、H2O nCO24ne-4nH+ 陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 2H2O,工作原理圖示,產(chǎn)能原理及效率,MFC本質(zhì)上是收獲微生物代謝過程中生產(chǎn)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)傳遞電子的數(shù)量和速率以及陽極與陰極間的電位差。由于MFC并非一個(gè)熱機(jī)系統(tǒng)，避免了卡諾循環(huán)的熱力學(xué)限制，因此，理論上MFC是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏钣行У难b置，最大效率有可能接近100。,電池結(jié)構(gòu),從MFC的構(gòu)成來看，陽極擔(dān)負(fù)著微生物附著并傳遞電子的作用，可以說是決定MFC產(chǎn)電能力的重要因素，同時(shí)也是研究微生物產(chǎn)電機(jī)理與電子傳遞機(jī)理的重要的輔助工具。現(xiàn)在，MFC陽極主要是以碳為主要材料，包括碳紙、碳布、石

4、墨棒、碳?xì)?、泡沫石墨以及碳纖維刷。 陽極是微生物氧化分解有機(jī)物的場(chǎng)所，所以微生物的量也就能影響產(chǎn)電量。因此陽極材料的選擇主要就是考慮材料的比表面積。,質(zhì)子透過材料可以是鹽橋，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是只允許質(zhì)子透過，而基質(zhì)、細(xì)菌和氧氣等都被截留的微孔材料。 現(xiàn)在試驗(yàn)中大多選用的是質(zhì)子交換膜PEM。,最新的研究表明，陰極是制約MFC產(chǎn)電的主要原因之一。最理想的陰極電子受體應(yīng)當(dāng)是氧氣，但是從氧氣的還原動(dòng)力學(xué)來看，氧氣的還原速度較慢，這直接影響了MFC的產(chǎn)電性能。于是在陰極加入各種催化劑來提高氧氣的還原速率的研究開始了。根據(jù)陰極催化劑的種類可以將MFC陰極分為非生物陰極和生物陰極。,貴金屬P

5、t,過渡金屬大環(huán)化合物,金屬氧化物,多級(jí)串聯(lián)MFC,填料式MFCs 管狀A(yù)CMFCs 在構(gòu)型上和操作方式上與污水處理設(shè)備中的生物濾池頗為相似; 填料型MFCs類似于流化床反應(yīng)器。,燃料電池優(yōu)勢(shì),（1）燃料來源多樣化:可以利用一般燃料電池不能利用的有機(jī)物，無 機(jī)物、微生物呼吸的代謝產(chǎn)物、發(fā)酵的產(chǎn)物，以及污水等作為燃料。 （2）電池的操作條件較溫和:由于使用微生物作為催化劑，電池常溫常壓下即可運(yùn)行，這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同，使得電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng)。 （3）生物相容性好:利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，可為植入人體的一些人造器官提供電能。 （4）無需能量輸入:微生物本身就可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，把

6、燃料能源轉(zhuǎn)化為電能，為人類提供能源。 （5）由于微生物燃料電池的唯一產(chǎn)物是水，所以該技術(shù)無污染，可實(shí)現(xiàn)零排放。 （6）能量利用率高，能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用效率較高。,現(xiàn)狀、應(yīng)用及方向,微生物電解池（MEC），一種新型的利用廢水產(chǎn)氫技術(shù)。由于產(chǎn)電細(xì)菌能夠釋放電子，所以可以利用MFC形式的反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)氫。微生物氧化底物釋放電子，這些電子與同步產(chǎn)生的質(zhì)子結(jié)合形成氫氣，但是這個(gè)過程無法自行完成，需要一個(gè)電化學(xué)來輔助其產(chǎn)氫氣。即在電路中施以外加電壓。所以這個(gè)過程也稱為電輔助產(chǎn)氫。 微生物脫鹽池（MDC），用于淡化鹽水。目前的海水淡化技術(shù)要高壓及大量的電能。研究人員構(gòu)建

7、的以醋酸為底物，不同初始濃度的鹽水的MDC，脫鹽率能達(dá)到90%。,在應(yīng)用程序開發(fā)的前景與微生物燃料電池方面：替代能源;傳感器;污水處理新技術(shù);利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境未培養(yǎng)細(xì)菌的富集。 替代能源，生物質(zhì)能 因?yàn)镸FC將能轉(zhuǎn)化為電能的生物量直接轉(zhuǎn)化 ，機(jī)器人、汽車、醫(yī)療方面應(yīng)用潛力廣泛。,微生物傳感器的發(fā)展，廣泛 工作的MFC使用的原則制定新的生化需氧量傳感器在于：電池產(chǎn)生的電流或充電之間的污染物濃度呈良好的線性關(guān)系;電池的電流對(duì)污水響應(yīng)速度更快;有較好的重復(fù)性。 作為一個(gè)新的水處理工藝目前，由于燃料有機(jī)廢水，有機(jī)物質(zhì)循環(huán)中的化學(xué)能的污水一直是MFC的這項(xiàng)研究的主要目的，但在研究中，污水處理后的MFC的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以便為新的污水處理技術(shù)開發(fā)的研究人員到MFC基本工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣。 優(yōu)點(diǎn)：1）可以為微生物燃料電池提供一個(gè)新的研究方向；2）為處理污水，將無用資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭缮a(chǎn)能量的有用資源提供了新的發(fā)展方