微生物電池的原理與應用

1、微生物燃料電池（MFC）,微生物電池的原理與應用,相關概念 發(fā)展歷史 運行原理 產(chǎn)能原理及效率 電池結(jié)構(gòu) 電池優(yōu)勢 現(xiàn)狀、應用及方向,目錄,相關概念,燃料電池（fuel cell）：一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學裝置。 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、和陰極在同一個室內(nèi)工作。,發(fā)展歷史,1911，英國植物學家potter，開創(chuàng)； 劍橋大學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bruce教授、byung(韓國）和比利時willy教授在MFC上做了大量研究。,運行原理,有機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)子交換膜到達陰極，與電子受體 （氧氣）反應生成水。其陽極和陰極反應式如下所示： 陽極反應： (CH2O)nn

3、H2O nCO24ne-4nH+ 陰極反應： 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并非一個熱機系統(tǒng)，避免了卡諾循環(huán)的熱力學限制，因此，理論上MFC是化學能轉(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，陽極擔負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，同時也是研究微生物產(chǎn)電機理與電子傳遞機理的重要的輔助工具?，F(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、碳氈、泡沫石墨以及碳纖維刷。 陽極是微生物氧化分解有機物的場所，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)、細菌和氧氣等都被截留的微孔材料。 現(xiàn)在試驗中大多選用的是質(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當是氧氣，但是從氧氣的還原動力學來看，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,多級串聯(lián)MFC,填料式MFCs 管狀ACMFCs 在構(gòu)型上和操作方式上與污水處理設備中的生物濾池頗為相似; 填料型MFCs類似于流化床反應器。,燃料電池優(yōu)勢,（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物，無 機物、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行，這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同，使得電池維護成本低、安全性強。 （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，所以該技術無污染，可實現(xiàn)零排放。 （6）能量利用率高，能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，可直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用效率較高。,現(xiàn)狀、應用及方向,微生物電解池（MEC），一種新型的利用廢水產(chǎn)氫技術。由于產(chǎn)電細菌能夠釋放電子，所以可以利用MFC形式的反應器進行產(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，脫鹽率能達到90%。,在應用程序開發(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;利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境未培養(yǎng)細菌的富集。 替代能源，生物質(zhì)能 因為MFC將能轉(zhuǎn)化為電能的生物量直接轉(zhuǎn)化 ，機器人、汽車、醫(yī)療方面應用潛力廣泛。,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系;電池的電流對污水響應速度更快;有較好的重復性。 作為一個新的水處理工藝目前，由于燃料有機廢水，有機物質(zhì)循環(huán)中的化學能的污水一直是MFC的這項研究的主要目的，但在研究中，污水處理后的MFC的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，以便為新的污水處理技術開發(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：1）可以為微生物燃料電池提供一個新的研究方向；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