微生物燃料電池的意義

1、1.研究目的微生物燃料電池是一種利用微生物作為催化劑，將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的生物反應(yīng)器。本文通過(guò)一定室型MFC反應(yīng)器，選擇最優(yōu)的電極材料，并對(duì)電極間距，電極面積進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)器構(gòu)型，循環(huán)流速，膜結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，提高微生物燃料電池的輸出功率。 2.研究意義微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）是基于傳統(tǒng)的燃料電池（Fuel cell, FC）與微生物相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的由陰陽(yáng)兩極及外電路構(gòu)成的裝置。在MFC系統(tǒng)內(nèi)，微生物通過(guò)新陳代謝氧化有機(jī)物后將電子胞外傳遞給陽(yáng)極，電子再通過(guò)外電路到達(dá)陰極從而產(chǎn)生電能。從MFC的構(gòu)成來(lái)看，陽(yáng)極作為產(chǎn)電微生物附

2、著的載體，不僅影響產(chǎn)電微生物的附著量，而且影響電子從微生物向陽(yáng)極的傳遞，對(duì)提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能有至關(guān)重要的影響。因此，從提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力出發(fā)，選擇具有潛力的陽(yáng)極材料開(kāi)展研究，解析陽(yáng)極材質(zhì)和表面特性對(duì)微生物產(chǎn)電特性的影響，對(duì)提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力具有十分重要的意義。在MFC中，高性能的陽(yáng)極要易于產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)，易于電子從微生物體內(nèi)向陽(yáng)極傳遞，同時(shí)要求陽(yáng)極內(nèi)部電阻小、導(dǎo)電性強(qiáng)、電勢(shì)穩(wěn)定、生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性好。目前有多種材料可以作為陽(yáng)極，但是各種材料之間的差異，性對(duì)電池性能的影響并沒(méi)有得到深入的研究。以及各種陽(yáng)極特陽(yáng)極厚度對(duì)填料型微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響（清華，鐘登杰，小論文）作為一種新

3、型的清潔能源生產(chǎn)技術(shù),MFC在產(chǎn)電的同時(shí)還能處理廢水、去除硫化氫、產(chǎn)氫和修復(fù)地下水。與傳統(tǒng)的廢水處理工藝相比,MFC產(chǎn)泥量少、不產(chǎn)生甲烷,從而節(jié)省污泥和氣體處理費(fèi)用。但MFC的產(chǎn)電功率密度低,與氫氧燃料電池相比,差34個(gè)數(shù)量級(jí)。為了提高M(jìn)FC的產(chǎn)電功率和處理廢水的效率,目前的研究主要集中在產(chǎn)電微生物篩選和MFC結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方面。對(duì)于優(yōu)化MFC結(jié)構(gòu),可以通過(guò)優(yōu)化陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子膜材料,提出新型的MFC結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等來(lái)實(shí)現(xiàn)。微生物燃料電池處理有機(jī)廢水過(guò)程中的產(chǎn)電特性研究（哈工，尤世界，博士論文）MFC是一個(gè)新生事物，該項(xiàng)技術(shù)具有廢水處理和電能回收的雙重功能，它的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)廢水處理技術(shù)和觀念

4、的重大革新，目前正在引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，日漸成為環(huán)境科學(xué)與工程和電化學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。尤其是在能源供需矛盾日益突出，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，MFC更顯示出其它技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。MFC技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將會(huì)使廢水處理技術(shù)發(fā)生一次新的革命，產(chǎn)生不可估量的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。但是由于受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面等眾多因素的限制，MFC離實(shí)際工程應(yīng)用的距離還很遙遠(yuǎn)，相關(guān)研究剛剛起步，目前正處于可行性探索和基礎(chǔ)研究階段。本課題正是在這一背景下提出的。由于功率密度低，材料造價(jià)昂貴，反應(yīng)器型式的不確定，有關(guān)MFC的研究目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模和水平上，很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。因此，為了進(jìn)一步提高M(jìn)F

5、C的產(chǎn)電功率密度，降低系統(tǒng)的基礎(chǔ)和運(yùn)行費(fèi)用，研發(fā)適合廢水處理工藝特點(diǎn)的MFC結(jié)構(gòu)型式，為進(jìn)一步的研究提供切實(shí)可行的依據(jù)與支撐，促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)早日應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的工程實(shí)踐，需要在現(xiàn)有研究水平的基礎(chǔ)上充分把握MFC研究中多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，開(kāi)展MFC的電化學(xué)特性和有機(jī)物降解特性的基礎(chǔ)研究；弄清陽(yáng)極特性對(duì)MFC性能的影響及陰極電子受體在MFC功率密度提高中起到的重要作用；在兼顧發(fā)電和同步廢水處理的雙重目標(biāo)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)更加適用于有機(jī)廢水處理的MFC反應(yīng)器構(gòu)型式，為MFC反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行的優(yōu)化提供切實(shí)可行的理論依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和參考價(jià)值。微生物燃料電池陽(yáng)極修飾的研究進(jìn)展（山東輕工業(yè)學(xué)院食品

6、與生物工程學(xué)院，宋娟，小論文）微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)是利用微生物作為反應(yīng)主體,將燃料(有機(jī)物質(zhì))的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置,能在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能,且不排放污染物,作為一類(lèi)理想的新型清潔能源已成為科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。微生物燃料電池陽(yáng)極特性對(duì)產(chǎn)電性能的影響（清華，黃霞，小論文）微生物燃料電池(Microbial Fuel Cel,l簡(jiǎn)稱(chēng)MFC)技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來(lái)的一種融合了污水處理和生物產(chǎn)電的新技術(shù),它能夠在處理污水的同時(shí)收獲電能,因此受到廣泛的關(guān)注。目前微生物燃料電池的產(chǎn)電能力還很低,離實(shí)際應(yīng)用尚有較大的距離,因此,如何提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能

7、是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。微生物燃料電池陽(yáng)極產(chǎn)電微生物和陰極受體特性及研究進(jìn)展（中國(guó)科學(xué)院，付潔，小論文）為了解決不可再生能源(如煤，石油等)日益短缺造成的能源危機(jī)和減小溫室氣體大量排放給環(huán)境帶來(lái)的巨大污染，尋找綠色環(huán)保型替代能源已成為各國(guó)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。微生物燃料電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在近些年引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。微生物燃料電池(MierobialFueleell，MFe)是一種通過(guò)微生物的代謝作用將蘊(yùn)藏在有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。與其他燃料電池相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn):燃料來(lái)源廣泛，生活污水、發(fā)酵廢糟等都可以作為燃料;反應(yīng)條件溫和，一般可在室溫下進(jìn)行川;清潔、環(huán)保，不會(huì)引起環(huán)境污染。填料型微生

8、物燃料電池產(chǎn)電特性的研究（清華，梁鵬，小論文）微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)在凈化污水的同時(shí)收獲電能,有可能降低污水處理的成本,因而近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注.然而,目前MFC輸出功率很低,以空氣陰極MFC為例,國(guó)外文獻(xiàn)中報(bào)道的最大輸出功率密度為1 500 mW/m2,遠(yuǎn)低于氫氧燃料電池的功率密度,因而當(dāng)務(wù)之急是提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力。碳納米管陽(yáng)極微生物燃料電池產(chǎn)電特性的研究（同上）由于微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)能夠在凈化污水的同時(shí),將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,為節(jié)能低耗型污水處理新工藝的研究提供了一個(gè)新的思路,因此近年受到

9、廣泛關(guān)注.但現(xiàn)有的MFC產(chǎn)電能力較低,這使MFC的實(shí)際應(yīng)用受到限制.因此,提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力是目前研究的主要目標(biāo)之一.從MFC的構(gòu)成來(lái)看,陽(yáng)極作為產(chǎn)電微生物附著的載體,不僅影響產(chǎn)電微生物的附著量,同時(shí)還影響電子從微生物向陽(yáng)極的傳遞,對(duì)提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能有至關(guān)重要的影響.因此,從提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力出發(fā),選擇具有潛力的陽(yáng)極材料開(kāi)展研究,解析陽(yáng)極材質(zhì)和表面特性對(duì)微生物產(chǎn)電特性的影響,對(duì)提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力具有十分重要的意義.基于升流式厭氧污泥床反應(yīng)器的微生物燃料電池的研究（蘇州大學(xué)，王萬(wàn)全，小論文）微生物燃料電池(MFCs)是利用微生物的催化作用直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。生活污水和工業(yè)

10、廢水中含有大量的有機(jī)物可作為其燃料而獲得電能,同時(shí)有機(jī)物得到降解。因此,MFCs的研究與開(kāi)發(fā)已成為當(dāng)前污染治理、開(kāi)發(fā)新型能源的研究熱點(diǎn)。微生物燃料電池及其應(yīng)用研究進(jìn)展（中國(guó)石油大學(xué)，詹亞力，小論文）三個(gè)利用方向利用MFC輸出電能的特點(diǎn)進(jìn)行新型能源的開(kāi)發(fā),利用MFC電流與水中有機(jī)物之間的定量關(guān)系進(jìn)行新型污水水質(zhì)檢測(cè)方法的研究,利用MFC的特殊環(huán)境對(duì)特殊性能的微生物進(jìn)行馴化。開(kāi)發(fā)前景替代能源；傳感器；污水處理新工藝；利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境進(jìn)行未培養(yǎng)菌的富集；替代能源生物質(zhì)制氫被認(rèn)為是未來(lái)氫燃料電池的原料來(lái)源,而MFC與生物質(zhì)制氫的共同特點(diǎn)是均以生物質(zhì)作為原料,但在生物質(zhì)制氫過(guò)程中,葡萄糖等生

11、物質(zhì)中還有相當(dāng)部分的氫未被利用,而且氫氣還只是從生物質(zhì)獲取能源的中間產(chǎn)品,而MFC則可以直接將葡萄糖中的氫全部消耗并轉(zhuǎn)化成H2O,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能源的效率較高。正是由于MFC能夠直接將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成電能,因此Wilkinson展望了用食物直接喂養(yǎng)機(jī)器人的可能性。傳感器開(kāi)發(fā)BOD5被廣泛用于評(píng)價(jià)污水中可生化降解的有機(jī)物含量,但由于傳統(tǒng)的BOD測(cè)定方法需要5天的時(shí)間,因此,出現(xiàn)了大量關(guān)于BOD傳感器的研究,其中以MFC工作原理為基礎(chǔ)的BOD傳感器的研究也是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。利用MFC工作原理開(kāi)發(fā)新型BOD傳感器的關(guān)鍵在于:電池產(chǎn)生的電流或電荷與污染物的濃度之間呈良好的線(xiàn)性關(guān)系;電池電流對(duì)污水濃度的響

12、應(yīng)速度較快;有較好的重復(fù)性。考慮到實(shí)際污水中存在硝酸鹽和硫酸鹽等具有高氧化還原電勢(shì)的電子受體,它們會(huì)降低MFC的電流響應(yīng)信號(hào),Chang等嘗試在陽(yáng)極池中加入疊氮化物和氰化物等呼吸抑制劑,達(dá)到了消除硝酸鹽和硫酸鹽影響的效果,結(jié)果顯示,通過(guò)加入呼吸抑制劑,使MFC型BOD傳感器可用于準(zhǔn)確測(cè)量含氧和含硝酸鹽的貧營(yíng)養(yǎng)地表水中的BOD含量。此外,MFC作為貧營(yíng)養(yǎng)水體(如地表水、污水處理廠排出液等)的傳感器電池的主要障礙在于O2通過(guò)陰極和質(zhì)子交換膜的擴(kuò)散速率大,在陰極的還原速率低,因此導(dǎo)致電池輸出電流的輸出信號(hào)很小。Kang等有針對(duì)性地對(duì)MFC的陰極進(jìn)行了改進(jìn),明顯提高了MFC電流輸出的重復(fù)性和信噪比。污

13、水處理目前,以有機(jī)污水為燃料、回收利用污水中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能一直是MFC研究中的主要目的,但在研究中,對(duì)于MFC處理后污水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果使研究人員對(duì)以MFC工作原理為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)新的污水處理工藝產(chǎn)生了濃厚興趣。微生物燃料電池構(gòu)造研究進(jìn)展（廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，李登蘭，小論文）資源短缺、能源危機(jī)使得生物產(chǎn)能的研究日益受到重視.生物產(chǎn)電、微生物燃料電池(Microbial fuel cel,l MFC)近20多年的研究吸引了多學(xué)科的參與,為學(xué)科間的交叉發(fā)展提供了廣闊的空間.由于MFC是把微生物呼吸產(chǎn)能直接轉(zhuǎn)換為電能,與現(xiàn)有的其它利用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)如產(chǎn)氫、產(chǎn)乙醇、產(chǎn)甲醇等相比, MFC具有操

14、作上和功能上的優(yōu)勢(shì).首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能,保證了很高的能量轉(zhuǎn)化效率,避免了昂貴的預(yù)處理催化過(guò)程.其次,不同于現(xiàn)有的所有生物能處理, MFC在常溫甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運(yùn)作.第三, MFC不需要進(jìn)行廢氣處理,因?yàn)樗a(chǎn)生廢氣的主要組分是CO2.第四,在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū),尤其是發(fā)展中國(guó)家, MFC具有更廣泛應(yīng)用的潛力,同時(shí)也擴(kuò)大了滿(mǎn)足人們對(duì)能源需求的燃料的多樣性.近年來(lái)的相關(guān)研究已由專(zhuān)門(mén)利用糖類(lèi)原料轉(zhuǎn)向?yàn)槔脧U水中的有機(jī)物來(lái)產(chǎn)電,不僅可以處理廢水,還能在處理過(guò)程中提供一種清潔能源,從而可以為補(bǔ)償污水處理廠昂貴運(yùn)行費(fèi)用提供一種新途徑,使污水深度處理在發(fā)展中國(guó)家和工業(yè)化國(guó)家都

15、可以運(yùn)行.雖然MFC產(chǎn)生的功率密度比其它類(lèi)型的燃料電池要低,但它在廢水處理中的應(yīng)用將是最有前景的發(fā)展方向.Lovley等人和Logan等人在改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、增加其產(chǎn)電量等方面作了大量工作.微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展（華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，曾麗珍，小論文）微生物燃料電池的研究正處于實(shí)驗(yàn)室研究或小批量試驗(yàn)水平，在實(shí)際應(yīng)用中電池輸出功率比較低(一般小于10 W/m2陽(yáng)極面積)，這主要是由于在細(xì)菌細(xì)胞和外電極之間電子轉(zhuǎn)移很困難。因此，高性能電極材料是最重要的。特別是陽(yáng)極材料及其結(jié)構(gòu)，可以直接影響細(xì)菌附著，電子轉(zhuǎn)移和底物氧化。微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景（中國(guó)石油大學(xué)，詹亞力，小論文）M

16、FC的應(yīng)用前景隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,能源消費(fèi)將逐年增加。據(jù)分析,到2020年,全世界的能源消耗量將比現(xiàn)在增長(zhǎng)一倍,能源的大量消耗同時(shí)也帶來(lái)了地球變暖、酸雨增加等矛盾。為了人類(lèi)能源的穩(wěn)定持久供應(yīng),為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境,近一段時(shí)間以來(lái),新能源的研制開(kāi)發(fā)受到普遍的重視。作為一種新能源，燃料電池發(fā)電技術(shù)正引起各國(guó)科學(xué)家注目并被積極地著手研制。到目前為止,燃料電池在研制和開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，燃料電池已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，現(xiàn)在世界各國(guó)都在加速其在民用領(lǐng)域的商業(yè)開(kāi)發(fā)。使用微生物電池處理污水一方面可以為微生物燃料電池提供一個(gè)新的研究方向，另一

17、方面，為處理污水，將無(wú)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)展方向。而且微生物燃料電池將污水中可降解有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了污水處理的可持續(xù)發(fā)展。在采用污水作為原料的M F C中，通過(guò)陽(yáng)極的微生物修飾，將有效提高電池的輸出功率。微生物燃料電池法處理污水的技術(shù)正向無(wú)介體、無(wú)膜的方向繼續(xù)發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用的道路上正一步步走向可行。目前微生物燃料電池處理污水技術(shù)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是應(yīng)該繼續(xù)提高輸出功率和庫(kù)侖轉(zhuǎn)移效率、進(jìn)一步降低電池成本等，MFC的性能除面臨與氫燃料電池相同的陰極氧化還原動(dòng)力學(xué)的困難外，還存在陽(yáng)極微生物細(xì)胞內(nèi)的電子向電極表面有效轉(zhuǎn)移，以及O2穿透隔膜的問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決都是

18、MFC的關(guān)鍵。微生物燃料電池產(chǎn)電的影響因素（南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，葉曄捷，小論文）微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一種利用微生物作為催化劑，直接將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.利用MFCs可直接降解水中的有機(jī)污染物，同時(shí)產(chǎn)生電能，回收有機(jī)污染物的部分化學(xué)能，這種變廢為寶的優(yōu)勢(shì)使MFCs近年來(lái)在廢水處理及新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究成為熱點(diǎn)目前MFCs輸出功率尚低，距實(shí)際應(yīng)用尚有很大距離，故提高M(jìn)FCs的輸出功率是解決其應(yīng)用限制最直接最關(guān)鍵的問(wèn)題.微生物燃料電池(MFC)技術(shù)及其發(fā)展前景的研究（安慶師范學(xué)院，王萍，小論文）MFC在一些高端技術(shù)領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。將陽(yáng)極插入海底沉積物,陰極置于臨