微生物燃料電池

1、靜思篤行 持中秉正 秋記與你分享微生物燃料電池microbial fuel cellNAME姓名 NUMBER學(xué)號 1l燃料電池（燃料電池（fuel cell）：）：一種將儲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。l生物燃料電池（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。lMFC（microbial fuel cell）：）：利用微生物的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(如碳水化合物的代謝或光合作用等)，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上的裝置。在微生物燃料電池中用微生物作生物催化劑，可以在常溫常壓下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。微生物

2、燃料電池概述微生物燃料電池概述2 有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生有機(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，與電子受體極，與電子受體 （氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極（氧氣）反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示：和陰極反應(yīng)式如下所示：陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 2H2OPEM負(fù)載

3、負(fù)載陽極室陽極室陰極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)物有機(jī)物微生物微生物微生物燃料電池工作原理MFC的基本工作的基本工作原理原理組成成分組成成分原料原料標(biāo)注標(biāo)注陽極陽極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需必需陰極陰極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需必需陽極室陽極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃必需必需陰極室陰極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃非必需非必需質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維和碳紙質(zhì)子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維和碳紙必需

4、必需電極催化劑電極催化劑鉑、鉑黑、聚苯胺、固定在陽極上的電子介體鉑、鉑黑、聚苯胺、固定在陽極上的電子介體非必需非必需3微生物燃料電池的分類微生物燃料電池的分類 依據(jù)微生物的營養(yǎng)類型分類：異養(yǎng)微生物燃料電池是指厭氧菌代謝有機(jī)物產(chǎn)生電能；光能異養(yǎng)微生物燃料電池是指光能異養(yǎng)菌(如藻青菌)利用光能和碳源作底物，以電極作為電子受體輸出電能；沉積物微生物燃料電池是微生物利用沉積物相與液相間的電勢差產(chǎn)生電能。 依據(jù)電子的轉(zhuǎn)移方式分類1.介體微生物燃料電池微生物物細(xì)膜膜有有肽或類聚聚等不導(dǎo)電物質(zhì)，對電子傳遞造成很大阻力，需要借助介體將電子從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到陽極。在微生物燃料電池中加入適當(dāng)?shù)慕轶w，會顯

5、著改善電子的轉(zhuǎn)移速率。2.無介體微生物燃料電池 指微生物燃料電池中的物菌能分泌物細(xì)色素、醌類等電子傳遞體，可將電子由物細(xì)膜內(nèi)轉(zhuǎn)移到電極上。目前發(fā)現(xiàn)的這類物菌有腐敗希瓦菌、地桿菌，酸梭菌、糞產(chǎn)堿菌、鶉雞腸球菌和銅綠假單細(xì)菌等。 依據(jù)微生物種類分類純菌型：純菌型：腐敗希瓦菌、地桿菌、酸梭菌等混菌型：混菌型：抗沖擊能力強(qiáng)，更高的底物降解率， 更低的底物專一性和更高的能量輸 出效率 依據(jù)微生物燃料電池的外型分類雙室微生物燃料電池構(gòu)造簡單，易于改變運行條件(如極板間距，膜材料，陰陽極板材料等)。單室微生物燃料電池直接以空氣中的氧氣作為氧化劑，陰極不需要曝氣，陰陽極板之間可以不加質(zhì)子交換膜，結(jié)構(gòu)簡單成本低

6、，但庫侖效率一般都很低，只有30。4微生物燃料電池的關(guān)肽問題微生物燃料電池的關(guān)肽問題 動力學(xué)問題： 解決途徑： 1）選擇產(chǎn)電效率高的菌種； 2）選擇適合的不同菌種進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，使之在電池中建立這種所謂的共生互利關(guān)系，以獲得較高的輸出功率； 3）增大陽極的表面積。 內(nèi)阻問題： 這一參數(shù)既依賴于電極之間的電解液的電阻值，也決定于膜電阻的阻值（Nafion具有最低的電阻）。對于最優(yōu)化的運轉(zhuǎn)條件，陽極和陰極需要盡可能的相互接近。雖然質(zhì)子的遷移會顯著的影響與電阻相關(guān)的損失，但是充分的混合將使這些損失最小化。 傳遞問題： 反應(yīng)物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散速率是電子傳遞過程中的主要

7、制約因素。 氧作為陰極反應(yīng)的電子受體最大問題是在水中的溶解度低。 攪拌情況、微生物最大生長率、微生物對底物的親和力、生物量負(fù)荷、操作溫度和酸堿度均對物質(zhì)傳遞有影響。5MFC的最新研究方向的最新研究方向 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)電物菌能夠釋放電子，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，但是這個過程無法自行完成，需要一個電化學(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%。環(huán)境污染治理1、使用MFC技術(shù)進(jìn)行生物修復(fù) 研究表明，MFC系統(tǒng)可以再厭氧條件下用于提高被石油污染的地下水的生物修復(fù)速率。2、用于難降解有機(jī)物的去除 當(dāng)構(gòu)建一個以葡萄聚和偶氮燃料為基質(zhì)的生物陰極型MFC時，污染物的去處速率顯著加快，脫色率得到提高。3、制成BOD生物傳感器，對受污染水體進(jìn)行預(yù)警，甚至能夠為邊遠(yuǎn)海域的導(dǎo)航系統(tǒng)提供電源（SMFC）。 結(jié)語與展望 MFC具有廣泛的應(yīng)用開發(fā)前景，但是燃料電池功率低束縛了MFC的進(jìn)一步發(fā)展。因此，解決MF