微生物燃料電池

MFC（microbialfuelcell）：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。SMFC：沉積物微生物燃料電池MEC(MicrobialElectrolysisCell):生物電解池PEM(ProtonExchangeMembrane):質(zhì)子交換膜概念第一頁(yè)，共66頁(yè)。1研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀2微生物燃料電池概述3微生物燃料電池的應(yīng)用4未來研究趨勢(shì)及展望5基礎(chǔ)研究案例分析目錄CONTENTS第二頁(yè)，共66頁(yè)。研究背景目前,解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和探尋新的能源是人類社會(huì)能夠完成可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題?；剂系牡氖褂么髿馕廴荆核嵊辏饣瘜W(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(tái)。第三頁(yè)，共66頁(yè)。1910年20世紀(jì)80年代末期1991年2002年后開始出現(xiàn)使用微生物燃料電池處理生活污水的范例，然而，直到最近幾年用MFC處理生活污水得到的電池功率才有所增強(qiáng)；采用電子傳遞介體的微生物燃料電池的研究全面開展；英國(guó)植物學(xué)家馬克·比特發(fā)現(xiàn)將鉑電極放在大腸桿菌和酵母菌的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生電流，由此拉開了微生物燃料電池研究的序幕；發(fā)展現(xiàn)狀第四頁(yè)，共66頁(yè)。1910年20世紀(jì)80年代末期1991年2002年后發(fā)展現(xiàn)狀人們發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌可以直接將電子傳遞給固體導(dǎo)體，如陽(yáng)極，由此提出了無需外加電子傳遞介體的微生物燃料電池，使微生物燃料電池的研究又進(jìn)一步有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。近幾年,MFC的研究已經(jīng)成為治理和消除環(huán)境污染源,開發(fā)新型能源研究工作者的關(guān)注熱點(diǎn)。第五頁(yè)，共66頁(yè)。1研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀2微生物燃料電池概述3微生物燃料電池的應(yīng)用4未來研究趨勢(shì)及展望5基礎(chǔ)研究案例分析目錄CONTENTS第六頁(yè)，共66頁(yè)。MFC的基本原理PEM負(fù)載陽(yáng)極室陰極室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有機(jī)物微生物圖1.微生物燃料電池工作原理Fig.1Theworkingprincipleofamicrobialfuelcell有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽(yáng)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(yáng)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，與氧反應(yīng)生成水。其陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如下所示：陽(yáng)極反應(yīng)：(CH2O)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+陰極反應(yīng)：4e-＋O2＋4H+2H2O第七頁(yè)，共66頁(yè)。MFC的基本原理第八頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的分類第九頁(yè)，共66頁(yè)。異養(yǎng)光能異養(yǎng)沉積物型異養(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(shì)差產(chǎn)生電能。微生物燃料電池的分類根據(jù)營(yíng)養(yǎng)類型第十頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的分類依據(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(jiǎn)單，易于改變運(yùn)行條件(如極板間距，膜材料，陰陽(yáng)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(yáng)極板之間可以不加質(zhì)子交換膜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，但庫(kù)侖效率一般都很低，只有30％。第十一頁(yè)，共66頁(yè)。介體微生物燃料電池微生物細(xì)胞膜含有肽鍵或類聚糖等不導(dǎo)電物質(zhì)，對(duì)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(yáng)極。在微生物燃料電池中加入適當(dāng)?shù)慕轶w，會(huì)顯著改善電子的轉(zhuǎn)移速率。介體應(yīng)該具備的特性介體的氧化態(tài)易于穿透細(xì)胞膜到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部的還原組分；其氧化還原式量電位要與被催化體系的電位匹配；其氧化態(tài)不干擾其它的代謝過程；其還原態(tài)應(yīng)易于傳過細(xì)胞膜而脫離細(xì)胞；其氧化態(tài)必需是化學(xué)穩(wěn)定的、可溶的，并且在細(xì)胞和電極表面均不發(fā)生吸附；其在電極上的氧化還原反應(yīng)速率非?？?、且有很好的可逆性。微生物燃料電池的分類第十二頁(yè)，共66頁(yè)。無介體微生物燃料電池指微生物燃料電池中的細(xì)菌能分泌細(xì)胞色素、醌類等電子傳遞體，可將電子由細(xì)胞膜內(nèi)轉(zhuǎn)移到電極上。可使用微生物目前發(fā)現(xiàn)的這類細(xì)菌有腐敗希瓦菌(Shewaulellaputrefaciens)、地桿菌(Geobacteraceae），酸梭菌(Clostridiumbutyricum)及(RhodoferaxFerrireducens)、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfaecalis)，鶉雞腸球菌(Enterococcusgallinamm)和銅綠假單胞菌(PseudomonaSaemginosa)等。微生物燃料電池的分類第十三頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成第十四頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成組成成分原料標(biāo)注陽(yáng)極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需陰極石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳必需陽(yáng)極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃必需陰極室玻璃、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃非必需質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜、鹽橋、玻璃珠、玻璃纖維和碳紙必需電極催化劑鉑、鉑黑、聚苯胺、固定在陽(yáng)極上的電子介體非必需第十五頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成陽(yáng)極材料一般微生物燃料電池用無腐蝕性的導(dǎo)電材料作為陽(yáng)極,如碳、石墨等。對(duì)陽(yáng)極的研究主要是對(duì)導(dǎo)電材料的改性和加入其他的催化劑。第十六頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成微生物燃料電池陽(yáng)極電子傳遞機(jī)制示意圖:A.直接接觸;B.納米導(dǎo)線;C.氧化還原介體;D.還原態(tài)初級(jí)代謝產(chǎn)物原位氧化陽(yáng)極研究進(jìn)展陽(yáng)極產(chǎn)電機(jī)制第十七頁(yè)，共66頁(yè)。其電子直接從微生物細(xì)胞膜傳遞到電極，呼吸鏈中細(xì)胞色素是實(shí)際電子載體；提高電池功率，關(guān)鍵在于提高細(xì)胞膜與電極材料的接觸效率。氧化態(tài)中間體還原態(tài)中間體排除體外電極表面被氧化細(xì)菌通過其納米級(jí)的纖毛或菌毛實(shí)現(xiàn)電子傳遞，該菌毛或纖毛稱為納米電線（nanowire）。微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生初級(jí)代謝產(chǎn)物，初級(jí)代謝產(chǎn)物在催化劑的作用下發(fā)生原位氧化反應(yīng)，將產(chǎn)生的電子傳遞至陽(yáng)極。A細(xì)胞膜直接傳遞電子B納米導(dǎo)線C由中間體傳遞電子D還原態(tài)初級(jí)代謝產(chǎn)物原位氧化微生物燃料電池的組成第十八頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成陽(yáng)極材料的要求是：高導(dǎo)電，耐腐蝕，高比表面積（區(qū)每卷），孔隙率高，非污染（例如，細(xì)菌不會(huì)填滿它），廉價(jià)，和容易和規(guī)模較大的尺寸。Qiao報(bào)道了用碳納米管/聚苯胺(CNT/PANI)作為MFC陽(yáng)極。Kargi等用銅和銅-金導(dǎo)線來代替石墨電極作為MFC的陽(yáng)極,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著陽(yáng)極表面積的增大,產(chǎn)生的電流和功率也隨之增大。Rosenbaum研究了用碳化鎢作為微生物燃料電池的陽(yáng)極,獲得了不錯(cuò)的效果,其電化學(xué)活性和化學(xué)穩(wěn)定性作為微生物燃料電池的陽(yáng)極是適合的。1.加入其他催化劑第十九頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成碳布進(jìn)行了氨基修飾后，由于氨基基團(tuán)的存在，材料本體上的表面電荷得到了顯著增加，微生物與電極表面間的靜電作用得到了顯著增強(qiáng)，同時(shí)氨基與微生物表面的羧基形成肽鍵，增強(qiáng)它們之間的相互作用。電化學(xué)氧化修飾法主要是通過在酸性溶液中的電解，增加電極表面的羧基基團(tuán)。雖然微生物表面凈電荷為負(fù)電，電極表面羧基的增加會(huì)增大靜電排斥力，但是由于微生物表面存在著大量細(xì)胞色素，其上含有許多活性基團(tuán)，羧基可以與細(xì)胞色素上的活性基團(tuán)形成強(qiáng)烈的氫鍵等化學(xué)鍵作用，增強(qiáng)了微生物與電極之間的化學(xué)相互作用。2.對(duì)材料的改性第二十頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成陰極材料陰極是制約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，但是氧氣的還原速度較慢，直接影響了MFC的產(chǎn)電性能。MFC陰極非生物陰極生物陰極好氧型厭氧型根據(jù)最終電子受體不同生物陰極可顯著降低MFC成本，避免催化劑中毒，提高穩(wěn)定性。好氧型生物陰極空氣中的氧氣是常用的電子受體；厭氧型生物陰極常以硝酸鹽、硫酸鹽、尿素和CO2等為電子受體。非生物陰極常用的催化劑主要有Pt、過渡金屬元素等。Pt是最廣泛的高效催化劑，能使MFC的產(chǎn)電性能提高近4倍。但成本高、穩(wěn)定性差、也容易造成催化劑污染。第二十一頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成在雙室MFCs中,PEM的作用不僅體現(xiàn)在將陽(yáng)極室和陰極室分隔開和傳遞質(zhì)子,同時(shí)還要能阻止陰極室內(nèi)氧氣擴(kuò)散至陽(yáng)極室。在單室MFCs中,一般采用“二合一”電極,即將PEM熱壓在陰極內(nèi)側(cè)。質(zhì)子交換膜(PEM)

PEM對(duì)電池產(chǎn)電性能影響也很大:第二十二頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成產(chǎn)電微生物及其群落無介體微生物是MFC研究的主流，這類微生物可以自我產(chǎn)生電子介體或者通過自身的細(xì)胞組織進(jìn)行電子傳遞，如細(xì)胞膜電子傳遞鏈和納米導(dǎo)線，解決了需電子介體微生物燃料電池的高運(yùn)行成本問題，同時(shí)也保證了功率密度的高效輸出。納米導(dǎo)線的發(fā)現(xiàn)，不僅給微生物燃料電池在提高產(chǎn)電效率方面帶來了希望、設(shè)計(jì)和制造廉價(jià)高效的生物陽(yáng)極，還為環(huán)境污染修復(fù)、細(xì)胞生物信息學(xué)以及納米生物電子學(xué)方面提供了潛在的應(yīng)用前景，因此，生物納米導(dǎo)線的人工制備方法是今后研究的主題之一。第二十三頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的組成①M(fèi)FC實(shí)物組圖②電化學(xué)工作站③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)④恒溫培養(yǎng)箱⑤無菌操作臺(tái)⑥厭氧工作站①②③④⑤⑥第二十四頁(yè)，共66頁(yè)。1研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀2微生物燃料電池概述3微生物燃料電池的應(yīng)用4未來研究趨勢(shì)及展望5基礎(chǔ)研究案例分析目錄CONTENTS第二十五頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：在微生物的催化下，生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能，理論轉(zhuǎn)化效率高;生物質(zhì)廉價(jià)且來源廣泛，無需特殊的預(yù)處理過程;使用微生物取代貴金屬催化劑降低了燃料電池的基礎(chǔ)投資，使建造廉價(jià)的大規(guī)模MFC成為可能;常溫常壓pH中性條件下運(yùn)行，生物相容性好;產(chǎn)物無毒無害，是碳中性的綠色產(chǎn)能技術(shù)。第二十六頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用產(chǎn)電功率密度低；對(duì)于細(xì)菌本身的呼吸方式和電子傳遞到電極機(jī)理研究不夠；使用價(jià)格不菲的碳紙、載鉑碳紙等材料作電極等因素導(dǎo)致了電池的造價(jià)成本高，MFC

多以間歇操作為主，且反應(yīng)器容積過小；研究的陽(yáng)極底物一般僅為有機(jī)養(yǎng)料和模擬廢水的混合物，對(duì)高有機(jī)物濃度廢水的MFC技術(shù)研究較少，針對(duì)廢水處理的MFC

基礎(chǔ)研究較少。采用空氣陰極成功構(gòu)建微生物燃料電池，并將其用于生活污水的處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化學(xué)需氧量的去除率可達(dá)80％；微生物燃料電池處理了含不同底物的污水，該研究可以連續(xù)處理水，并在此過程中持續(xù)產(chǎn)生電流。廢水處理第二十七頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用能否把微生物控制在一定范圍內(nèi)；現(xiàn)在起搏器主要使用鋰-碘電池，壽命是八九年；而生物燃料電池的壽命不可控制；微生物的耐受能力。開發(fā)出了一種新型微生物燃料電池并將其植入到人體內(nèi)，作為微型心臟起搏器。作為高空、深海、偏遠(yuǎn)地區(qū)等特殊區(qū)域的電源，在深海底部為海底需要實(shí)施監(jiān)控的儀器提供電能。特殊環(huán)境中的電源第二十八頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用產(chǎn)氫（MEC）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—氧氣，可避免因氧氣通過質(zhì)子交換膜向陽(yáng)極擴(kuò)散而影響反應(yīng)器運(yùn)行；同時(shí)該工藝產(chǎn)生的氫氣純度較高，可積累、儲(chǔ)存及運(yùn)輸，推動(dòng)了MFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。其工作原理：無氧條件下，對(duì)雙室MFC陰極施加一個(gè)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。第二十九頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用生物傳感器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(shí)別元素和信號(hào)傳輸放大元素。由于微生物燃料電池的電流（電壓）或電子庫(kù)侖量與電子供體的含量之間存在對(duì)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(cè)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(cè)定的研究最為成熟，已有相關(guān)報(bào)道。第三十頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用MFC技術(shù)資源化利用剩余污泥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(shì)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。第三十一頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用MFC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）

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(duì)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。第三十二頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用MFC在固體廢物堆肥中的應(yīng)用

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(zhǎng)過程中根系分泌物對(duì)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(shí)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(shì)，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)。第三十三頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的應(yīng)用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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)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(chǎng)潛力。相對(duì)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(yáng)極區(qū)向陰極區(qū)的傳遞效率對(duì)MFC的性能是非常重要的。第三十四頁(yè)，共66頁(yè)。1研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀2微生物燃料電池概述3微生物燃料電池的應(yīng)用4微生物燃料電池的問題與展望5基礎(chǔ)研究案例分析目錄CONTENTS第三十五頁(yè)，共66頁(yè)。根據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，以乙酸鹽為底物、氧氣為電子受體的MFC系統(tǒng)，最大理論電壓值為1.105V。目前，MFC能達(dá)到的開路電壓值與傳統(tǒng)燃料電池相近，但輸出功率水平仍然較低，使得MFC的研究大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還不能得到大規(guī)模應(yīng)用。具體影響因素影響電子傳遞速率的主要因素影響因素產(chǎn)電性能微生物燃料電池的問題與展望問題一:產(chǎn)電性能低第三十六頁(yè)，共66頁(yè)。具體影響因素影響電子傳遞速率的主要因素影響因素產(chǎn)電性能微生物燃料電池的問題與展望MFC的產(chǎn)電效果主要取決于電子的傳遞速率。微生物對(duì)底物的氧化；電子從微生物到電極的傳遞；外電路的負(fù)載電阻；向陰極提供質(zhì)子的過程；氧氣的供給和陰極的反應(yīng)。產(chǎn)電菌種、反應(yīng)器構(gòu)型、電極材料、底物類型等。問題一:產(chǎn)電性能低第三十七頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望

人們將MFC由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大時(shí)，功率密度大規(guī)模降低。考慮到實(shí)際應(yīng)用，在構(gòu)型設(shè)計(jì)、電極材料選擇等方面還存在很多問題，MFC的成本、功率輸出以及底物利用效率，微生物燃料電池的穩(wěn)定性是制約該技術(shù)走向?qū)嵱没钠款i問題。問題二:處于基礎(chǔ)研究階段，實(shí)現(xiàn)MFC的工程放大困難第三十八頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望（1）電能的輸出很大程度上受到陰極反應(yīng)的影響。低電量輸出往往由于陰極微弱的氧氣還原反應(yīng)以及氧氣通過質(zhì)子交換膜擴(kuò)散至陽(yáng)極。特別是對(duì)于一些兼性厭氧菌而言，氧氣擴(kuò)散到陽(yáng)極會(huì)嚴(yán)重影響電量的產(chǎn)生，因?yàn)檫@類菌很可能不再以電極為電子受體而以氧氣作最終電子受體。對(duì)于陰陽(yáng)極材料的選擇繼續(xù)是微生物燃料電池研究的重點(diǎn)之一?；谝陨蠁栴}的研究方向：第三十九頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望（3）在電池的構(gòu)造方面，現(xiàn)有的微生物燃料電池一般有陰陽(yáng)兩個(gè)極室，中間由質(zhì)子交換膜隔開。這種結(jié)構(gòu)不利于電池的放大。單室設(shè)計(jì)的微生物燃料電池將質(zhì)子交換膜纏繞于陰極棒上，置于陽(yáng)極室，這種結(jié)構(gòu)有利于電池的放大，己用于大規(guī)模處理污水。（2）目前大多數(shù)微生物燃料電池由單一菌種構(gòu)建。要達(dá)到普遍應(yīng)用的目的，急需發(fā)現(xiàn)能夠使用廣泛有機(jī)物作為電子供體的高活性微生物。今后的研究將繼續(xù)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生物。以有機(jī)廢水(如淀粉廠出水)為燃料建立微生物燃料電池，試圖分離所需菌種。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；第四十頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望(4)質(zhì)子交換膜對(duì)于維持微生物燃料電池電極兩端pH值的平衡、電極反應(yīng)的正常進(jìn)行都起到重要的作用。理想的質(zhì)子交換膜應(yīng)具有將質(zhì)子高效率傳遞到陰極；阻止燃料(底物)或電子受體(氧氣)的遷移。但是，通常的情況是，質(zhì)子交換膜微弱的質(zhì)子傳遞能力改變了陰陽(yáng)極的pH值，從而減弱了微生物活性和電子傳遞能力，并且陰極質(zhì)子供給的限制影響了氧氣的還原反應(yīng)。質(zhì)子交換膜的好壞和性質(zhì)的革新直接關(guān)系到微生物燃料電池的工作效率、產(chǎn)電能力等。目前，研究最多的是Nafion膜，它是一種全氟磺酸質(zhì)子交換膜，具有較高的離子傳導(dǎo)性。但因其成本及氧氣擴(kuò)散的限制而不利于工業(yè)化。所以今后將設(shè)法提高質(zhì)子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的微生物燃料電池。第四十一頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望（5）內(nèi)阻問題：內(nèi)電阻的微降會(huì)顯著地提高輸出功率，說明其在提高電池的輸出功率方面具有重要作用：1）PEM對(duì)內(nèi)阻的影響；2）PEM和電極的空間距離對(duì)內(nèi)阻的影響；3）電極間距離和電極表面積對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電阻的影響（6）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。所以，考慮不同的物質(zhì)作為陰極反應(yīng)的電子受體也受到關(guān)注。第四十二頁(yè)，共66頁(yè)。微生物燃料電池的問題與展望展望

總之,微生物燃料電池是一種能將產(chǎn)生新能源和解決環(huán)境污染問題有機(jī)的結(jié)合起來的新技術(shù),其蘊(yùn)藏的極大潛力為今后人類充分利用工農(nóng)業(yè)廢棄物和城市生活垃圾等生物質(zhì)資源進(jìn)行發(fā)電提供了廣闊的前景。

目前,雖然要讓微生物燃料電池提供更高且穩(wěn)定的輸出功率,還有待于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高。但完全可以相信,隨著微生物學(xué)和電化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,微生物燃料電池將會(huì)成為未來利用各種有機(jī)(廢)物發(fā)電的新技術(shù)核心。第四十三頁(yè)，共66頁(yè)。1研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀2微生物燃料電池概述3微生物燃料電池的應(yīng)用4未來研究趨勢(shì)及展望5基礎(chǔ)研究案例分析目錄CONTENTS第四十四頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用1.豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水

實(shí)驗(yàn)所用養(yǎng)豬廢水取自廈門市郊某養(yǎng)豬場(chǎng)，為豬糞和豬舍沖洗水組成的混合廢水，其水質(zhì)特征如表1所示．

依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB18596-2001》，最高允許日均排放濃度：COD為400mg/L、氨氮為80mg/L、總磷為8mg/L第四十五頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用陰陽(yáng)極碳?xì)直砻娣e：16cm2質(zhì)子交換膜陰陽(yáng)極室體積：135cm3雙室MFC(有機(jī)玻璃板)陰極室:微藻（去除N、P）陽(yáng)極室:光和細(xì)菌（去除COD）外加電阻：1000Ω2.MFC裝置構(gòu)造第四十六頁(yè)，共66頁(yè)。陽(yáng)極接種物：光合菌群陰極微生物：柵藻(Desmodesmussp．A8)MFC啟動(dòng)階段：陽(yáng)極液:人工廢水

（乙酸鈉）陰極液:BG11培養(yǎng)基電池穩(wěn)定運(yùn)行后：陽(yáng)極液：養(yǎng)豬廢水陽(yáng)極出水為陰極進(jìn)水反應(yīng)器置于3000lx光照下運(yùn)行，溫度恒定在28℃。待輸出電壓降至40mV以下更換培養(yǎng)液點(diǎn)擊輸入標(biāo)題內(nèi)容3.MFCs的接種與運(yùn)行第四十七頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用4.水質(zhì)分析

COD測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法，氨氮測(cè)定采用納氏試劑比色法，TP測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法．氨氮、磷及COD

的去除率(r)計(jì)算公式如下：式中，C0和Ct分別為初始濃度和處理t天后的濃度第四十八頁(yè)，共66頁(yè)。氮濃度250mg·L-1硝氮(NaNO3)、氨氮(NH4Cl)、有機(jī)氮(尿素)、硝銨混合氮(NH4NO3)

氮源添加NaNO3氮濃度分別為0、5、50、125、250mg·L-1氮濃度采用K2HPO4磷濃度分別為0.8、7.2、21.6、64.8mg·L-1磷濃度微藻BG11培養(yǎng)基5.氮、磷對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用第四十九頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用6.結(jié)果與討論

6.1氮源及氮磷濃度對(duì)MFC陰極微藻生長(zhǎng)的影響圖2

氮源（a）對(duì)微藻A8的生長(zhǎng)影響4種氮源均能促進(jìn)微藻的生長(zhǎng)；有機(jī)氮﹥硝態(tài)氮﹥硝銨混合氮﹥氨氮第五十頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用圖2

氮濃度（b）、磷濃度（c）對(duì)微藻A8的生長(zhǎng)影響隨著N、P濃度的增加，微藻生長(zhǎng)速率增加第五十一頁(yè)，共66頁(yè)。6.2

光照對(duì)陽(yáng)極光合細(xì)菌群電勢(shì)的影響

開路電勢(shì)反應(yīng)了微生物的代謝途徑，常用于表征微生物燃料電池的性能。光暗條件下接種光合細(xì)菌群的生物電化學(xué)系統(tǒng)開路電勢(shì)變化如圖3

所示：利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用

在黑暗條件下，光合菌群代謝乙酸鈉，開路電勢(shì)迅速下降，40h后穩(wěn)定在-0.4V；黑暗條件下穩(wěn)定運(yùn)行180h后，給予光照(1500lx)，OCP迅速降低，說明光照能提高光合細(xì)菌的還原活性。光合細(xì)菌在光照條件下存在有別于黑暗條件的代謝方式和電子傳遞路徑．第五十二頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用6.3MFC處理養(yǎng)豬廢水產(chǎn)電特性

產(chǎn)電曲線呈現(xiàn)上升、平穩(wěn)和下降3個(gè)階段，剛加入廢水時(shí)，微生物所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以補(bǔ)充，電壓迅速上升至最大值并穩(wěn)定，出現(xiàn)較好的產(chǎn)電平臺(tái)，隨著廢水中有機(jī)物被降解，電壓逐漸下降。

以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，輸出的穩(wěn)定電壓約為207mV；運(yùn)行兩個(gè)循環(huán)后，陽(yáng)極液更換為養(yǎng)豬廢水，電池輸出電壓下降至184mV；可能由于養(yǎng)豬廢水成分更加復(fù)雜，對(duì)陽(yáng)極微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了不利沖擊，導(dǎo)致電池輸出電壓下降至161mV，并趨于穩(wěn)定．第五十三頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用6.4處理養(yǎng)豬廢水的效率

經(jīng)過1個(gè)運(yùn)行周期(水力停留時(shí)間為4d)

依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB18596-2001》，最高允許日均排放濃度：COD為400mg/L、氨氮為80mg/L、總磷為8mg/L第五十四頁(yè)，共66頁(yè)。利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用6.5陰極柵藻在不同處理廢水中的生長(zhǎng)

為了考察陽(yáng)極處理后養(yǎng)豬廢水是否可用于微藻培養(yǎng)，本文以O(shè)D680為細(xì)胞密度指標(biāo)，監(jiān)測(cè)了柵藻A8在BG11培養(yǎng)基、養(yǎng)豬廢水、稀釋1倍的養(yǎng)豬廢水及經(jīng)陽(yáng)極光合菌群處理的養(yǎng)豬廢水中的生長(zhǎng)情況，結(jié)果如圖5所示:

用處理后的養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)微藻A8，其光密度高于稀釋后的養(yǎng)豬廢水，僅次于對(duì)照組BG11培養(yǎng)基；

養(yǎng)豬廢水污染物種類多、COD高等因素可能是導(dǎo)致微藻生長(zhǎng)緩慢的主要原因；

養(yǎng)豬廢水稀釋后污染物濃度降低，對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響減弱，經(jīng)過陽(yáng)極處理的廢水，污染物濃度降低的同時(shí)，氮、磷的殘留又能滿足微藻的生長(zhǎng)。第五十五頁(yè)，共66頁(yè)。（1）（2）（3）MFC陰極微藻對(duì)無機(jī)氨氮和有機(jī)尿素有比較好的適應(yīng)性，且能在高濃度氮(250mg·L－1)、磷(64．8mg·L－1)條件下正常生長(zhǎng)；構(gòu)建的MFC利用養(yǎng)豬廢水為燃料產(chǎn)電是可行的，該MFC以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，輸出電壓為207mV，以養(yǎng)豬廢水為基質(zhì)，電池穩(wěn)定輸出電壓為161mV；

構(gòu)建的MFC能利用養(yǎng)豬廢水產(chǎn)電并達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。COD去除率為91.8%，氨氮去除率為90.2%，磷的去除率達(dá)81.7%，并具有較好的除臭性能；

微藻A8能在光合細(xì)菌群處理的養(yǎng)豬廢水中很好地生長(zhǎng)（4）利用微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬廢水資源化利用7.結(jié)論第五十六頁(yè)，共66頁(yè)。雙極室聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池1.哈爾濱啤酒廠廢水

陽(yáng)極室厭氧菌種取自哈爾濱啤酒廠,陰極室好氧菌來自實(shí)驗(yàn)室SBR內(nèi)的活性污泥,MFC基質(zhì)采用啤酒廢水,原啤酒廢水的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示：pHCODNH3-N總氮(TN)懸浮物(SS)6.5±0.41250±10016±524±3500±50表1實(shí)驗(yàn)用啤酒廢水水質(zhì)指標(biāo)mg/L

根據(jù)《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB19821-2005》規(guī)定，啤酒生產(chǎn)企業(yè)水污染排放最高允許限制：COD為80mg/L、SS為70mg/L、氨氮為15mg/L、pH為6~9第五十七頁(yè)，共66頁(yè)。雙極室聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池2.微生物燃料電池裝置陽(yáng)極材料：碳纖維（石墨棒）陰極材料：碳?xì)株庩?yáng)極室體積：180cm3雙室MFC(有機(jī)玻璃板)陰極室:活性污泥（曝氣）負(fù)載電阻箱陽(yáng)極室：啤酒廠菌種質(zhì)子交換膜第五十八頁(yè)，共66頁(yè)。雙極室聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池操作條件：

MFC反應(yīng)器置于(24±4)℃下進(jìn)行連續(xù)流操作,向原啤酒廢水中加入磷酸鹽緩沖液PBS(NaH2PO44.97g/L+Na2HPO42.75g/L),由蠕動(dòng)泵供給陽(yáng)極室作為基質(zhì),蠕動(dòng)泵流速為13.6mL/h,相應(yīng)的陽(yáng)極室水力停留時(shí)間為7.35h。陽(yáng)極室的出水直接用作陰極室進(jìn)水,其停留時(shí)間與陽(yáng)極室相同.第五十九頁(yè)，共66頁(yè)。雙極室聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池3.MFC的產(chǎn)電性能

研究了以原啤酒廢水和加入PBS的啤酒廢水為MFC基質(zhì)時(shí)MFC的產(chǎn)電性能,結(jié)果見圖2.圖2MFC極化曲線和功率輸出曲線■原廢水的極化曲線；□原廢水的功率輸出曲線；☆原廢水+PBS的極化曲線；★原廢水+PBS的功率輸出曲線

加入PBS前：

開路電壓0.434V,加入PBS后：0.451V；

極化曲線擬合得到的表觀內(nèi)阻分別為334Ω和116Ω,；

加入PBS后電池輸出功率提高主要是由于電池內(nèi)阻減??；

PBS能夠降低電池內(nèi)阻的原因:(1)導(dǎo)電性離子的加入使整個(gè)溶液體系的離子強(qiáng)度增加,提高了溶液的導(dǎo)電性,降低了體系的歐姆內(nèi)阻;(2)PBS調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH,有利于微生物的降解和產(chǎn)電能力.加入PBS后,電池最大輸出功率為2.89W/m3,