微生物燃料电池 叶松
微生物燃料电池
摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。
关键词：微生物燃料电池双室质子交换膜
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]。MFC 是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。
1MFC工作原理及结构
1.1MFC工作原理
微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作
为催化剂,降解有机物(葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等) 产生电子和质子。产生的电子传递到阳极,
经外电路到达阴极,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直
接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。
而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导
到电极上[11]。有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。直接电子转移通过膜外细胞色素完成，需要细胞（细胞色素）和电极发生物理接触。在这个过程只有阳极最表面的一层细菌才是具有电化学活性的，因此这一层的最大细胞密度就决定了MFC的整体性能。事实上，只有极少一部分微生物能够通过直接转移完成复杂有机物（比如葡萄糖[12]）。（2）电子中介体转移：电子中介体是一种能够介入异化还原体系对电子起到运载作用的无机或有机小分子。当中介体处于氧化状态时，可以作为细胞的电子受体，在细胞外膜上得到还原酶的电子被还原，变成还原态的分子扩散到电极将电子送到电极表面，同时自身又转化成氧化态分子。（3）纳米导线：是由微生物自身产生的一种类似于纤毛状的物质，具有传导电子的能力。Reguera等人使用原子力显微镜观察到Geobacter产生的纤毛，并将这种纤毛命名为“纳米导线”[13]。后来，Gorby 等人发现，除了Geobacter以外的很多细菌都能够产生纳米导线[14]。Shewanella oneidensis MR-1能够通过自身产生的纳米导线和其它的细胞连接在一起；在MFC的阳极表面，纳米导线交织在S.oneidensis MR-1细胞之间完成电子转移和传导；两种不同属的细菌也可以通过纳米导线联系起来，这个发现说明，除了Geobacteraceae以外的其它细菌也能够产生这种纤毛类的“纳米导线”。
图1 MFC中微生物向电极传递电子的主要机制
1.2MFC反应器的结构
当前，MFC 反应器反应室的构型呈现多元化，常见几种代表性的反应器构型是双极室、单极室、升流式、旋转阴极式和阴阳极连续式。在实际应用中最大区别是有无质子交换膜。质子交
换膜的功能是起到质子传递作用，并防止其它物质（如有机质和氧气）的扩散，但是对氧气的屏蔽作用不理想、对胺敏感，而会增加系统的内阻而降低反应器的产电效率，且价格昂贵，成本高。因此，改变电池结构，省去昂贵的质子交换膜和减小内阻，增大功率输出是当前研究的重点[15]。
1.2.1两室MFC
MFC最早是两室系统, 该系统包含2个被质子透过材料分隔的反应室, 即阳极室和阴极室。阳极室含有细菌, 必须密封以防氧气进入, 并不断通氮气以确保厌氧环境, 阴极室可曝气以提供溶解氧, 如图2所示[16]。两室MFC又可以被分成2类。由于大部分微生物不具有电化学活性, 电子无法直接从微生物到达电极, 早期的MFC
需要添加硫堇、二磺酸(AQDS)、2, 6-蒽醌、铁氰化钾、甲基紫和中性红等中介体, 从而提高电子传递效率和MFC内部的反应速率, 即有介体MFC。另一类不需要添加这些物质被称为无介MFC( 图3)。无介体微生物燃料电池又称为直接MFC，是燃料直接在电极上被氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应[17]。常用介体价格昂贵, 使用寿命短,
且对微生物有毒害作用。
图2 微生物燃料电池工作原理典型的双室MFC(由PEM 分隔)
典型反应如下:
阳极:C6H12O6 + 6H2O→6CO2 + 24H+ + 24 e -
阴极:6O2 + 24H+ + 24 e -→12H2O
图3用于废水处理同步产能的SCMFC的结构图
1.2.2单室MFC
两室MFC最大的缺点是必须不断补充电解质, 而且阴极室必须曝气。所以发展了一种更简单有效的MFC以替代两室MFC, 即单室MFC ( S ingle chamber microbial fuel cell SCMFC), SCMFC可以省略阴极室而将阴极直接与PEM
粘合后面向空气放入阳极室构成阳极室的一壁,
而且不需要曝气, 空气中的氧气直接传递给阴极, 从而不仅增大了反应器容积, 可以提高产电量,
而且可以节省专门通气的能耗。典型单室MFC 的阴极和质子膜压合在一起, 阳极独立, 由于阳极和质子膜间有一段距离(两者间是阳极溶液),从阴极透过质子膜的氧再传递到阳极上的量很低, 故对阳极上产电微生物的影响较小。Liu等较早开发了单室MFC反应器用于废水处理, 如图3
所示[18- 19]。当电极间距从4 cm降低到2 cm 时, 由于内阻的降低, 功率密度输出从720mW /m2提高到1 210mW /m2。
通过对微生物燃料电池的研究可知, 影响产电量的一个重要的因素是两电极间的内电阻。因此, Cao等继而开发出了将阳极、质子膜和阴极依次压合在一起的“三合一”微生物燃料电池。此系统采用2个阴阳极, 在一定程度上可以增加产电[20]。
单室MFC只有阳极室，阴极室被电极代替，其主要特点是阴极只能使用空气作为电子受体。因此，可以看出，MFC的设计在很大程度上取决于阴极设计结构和使用的电子受体，因此，从这个意义上讲，MFC的性能在很大程度上取决于阴极的性能。
1.2.3填料式MFC
我国研究者在以上两种经典结构的基础上,结合污水处理设备的特点,发展出了一些改进设计[21]。尤世界等[22]设计了以颗粒石墨为阳极的管状ACMFC。以厌氧污泥为活性微生物,葡萄糖为底物,最大功率密度达50.2W·m- 3。填充式结构极大地增大了微生物和电极的接触面积,促进
了电子传输,内阻很小(仅27Ω) 。梁鹏等[23 ]组装了填料型MFC,并与平板型MFC 做了对比。碳
毡与碳纸烧结体填料型MFC与平板型MFC 相比,面积内阻从0.1080Ω/m2下降到0.1051Ω/m2 , 最大输出功率密度从1 178mW·m- 2(29.5W·m- 3 ) 上升到2 426mW·m- 2 (60.7W·m- 3 ) 。该填料型MFC 在600Ω外电阻下长期稳定运行30d
以上,CE 约为10.6 %。
1.2.4质子交换膜( Proton Exchange Membrane, PEM)
PEM的作用在于有效传输质子, 同时抑制反应气体的渗透[24]。质子交换膜对于维持MFC 电极两端pH 值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要作用。但PEM成本较高。有研究表明, 可以通过去除质子交换膜而进一步提高MFC的电能输出[25]。L iu等用无质子交换膜的MFC (Membrane-less microbial fuel cell, ML-MFC) )处理污水时发现, 当去掉质子交换膜后,减少了内阻, 功率密度上升到494 mW /m2, 为有质子交换膜的5倍[26]。无膜MFC在近年发展得较快, Jang 等开发出无膜MFC(图4)并成功应用在富集电化学活性微生物并将有机污染物转化为电能的研
究中[27] , 引起了很多人对MFC的关注。应用上流式无膜MFC处理废水, 在电化学活性微生物富集阶段, 分批运行条件下可以得到536mW /m3的输出功率[28]。无膜MFC可以通过降低投资、削减膜购买及维持的费用进一步提高MFC用于废水处理的经济可行性[29]。
图4无膜微生物燃料电池结构示意
2提高MFC产电途径
微生物燃料电池是一种新型能源转化装置，现如今所面临的问题就是电池输出功率密度比
较低，如何提高MFC输出功率密度是近几年研究的主要方向。
2.1 产电微生物方面
从初期的单一菌种到现在的混合菌种、尤世界等[30]以厌氧活性污泥作为接种体成功启动空气阴极微生物燃料电池(ACMFC)、Mohan 等[31] 以生物反应器中的厌氧产氢混合菌为菌源,酸性条件下驯化,即维持产氢菌群活性的同时抑制产甲烷菌。以该驯化富集的产氢菌群成功启动了双室MFC、Ieropoulos 等[32]和丁平等[33]分别研究了Desulfovibrio desulforicans 和Desulfovibrio salexigens (需盐脱硫弧菌)作为活性微生物的MFC。这些都在一定程度上有效的提高了MFC 的输出功率密度。
2.2 电池材料的选择
（1）质子交换膜，有研究者改用其他材料如尼龙、纤维素、聚醋酸酯或者玻璃绒代替PEM。Biffinger 等[34]比较了微型MFC中使用不同膜材料的产电性能。相同条件下,尼龙膜(最高功率17μW) 和聚醋酸酯膜的产电功率(最高功率19μW) 都比Nafion 膜(最高功率13μW)高。
（2）阳极，目前MFC的阳极材料主要是石墨、碳纸、碳毡等碳电极。提高阳极材料的孔体积和表面积[35]或进行氨气处理[36]都可以提高产电效果;近年来,制备和应用多孔复合材料也成了阳极研究的新方向。Qiao 等[37]研究了碳纳米管( CNT)/聚苯胺(PANI) 复合体作为阳极材料的MFC。对比实验表明,掺杂20 wt % CNT 的复合物阳极呈网状多孔结构,内阻最小,具有最好的电化学活性和最高的功率密度。随后该小组又合成了纳米结构的PANI/TiO2复合体[38] , 并以此作为阳极材料启动双室E.coli-MFC。对比实验表明, PANI 含量30wt %时,具有最佳生物和电催化性能。该电池阳极功率密度高达1495mW·m- 2。
(3)阴极,Liu Hong等[39]以空气为阴极，以葡萄糖为底物，带有质子交换膜的微生物燃料电池的最大输出功率为262 mW/m2，去掉质子交换膜后，最大输出功率为494mW/m2。Rhodes[40]在外电子介体存在条件下，以玻碳纤维为电极材料，在锰氧化菌（Leptothrix discophora）作用下可制成固体阴极，此时两室微生物燃料电池可实现连续产电，最大输出电压可达到127 mW/m2。Ter Heijne[41]以循环使用的氯酸铁或硫酸铁溶液为阴极溶液，向阴极室不断鼓入空气，用双极板将两室分开，此种微生物燃料电池的最大输出功率是860 mW/m2。
2.3其它方面
①Strik 等[42]设计出一种植物MFC ,植根于阳极室的绿色植物通过光合作用将二氧化碳转
换为碳水化合物,在根部形成根瘤沉积物;具有电化学活性的微生物将植物根系中的根瘤沉积物(主要是碳水化合物) 转化成二氧化碳,同时产生电子。这种MFC的竞争力主要体现在:它能原位将太阳能直接转换为电能。②Prasad 等[43]以Thiobacillus ferrooxidans为阴极活性菌成功启动了双室MFC ,实现了真正意义上的微生物燃料电池(即阴阳极反应都是由微生物催化) 。Chen 等[44]以混合菌群作为阴极活性菌启动MFC,阴极负荷20ml/min 时, 获得最大功率密度
19153W·m- 3 。③Liu 等[39] 研究表明,对于单室MFC,缩短阳极和阴极之间的距离可以极大地提高产电性能。④姚璐等[45]采用低强度超声波短时间辐照反应器,结果功率密度和CE 都有所提高。这是因为:短时间低强度超声波的机械应力可以在细胞表面瞬间造成细小损伤,该损伤伤口很小,容易被自身修复,在其修复过程中,酶的分泌增多,细胞繁殖加快,新陈代谢活性增强,由此提高了MFC产电能力。⑤减小电极间距能增大溶液中离子和质子的转移速度及底物和生成物的传质速度，降低内阻，提高输出功率[46]。
3MFC在环境污染治理中的应用
微生物燃料电池可以通过微生物作用，将污染环境中的有机物甚至有毒物质降解，在此做简单介绍:①MFC用于脱氮,Y ou 等在阴极室添加好氧活性污泥，并补给氨氮为电子供体，以取代常用的磷酸盐缓冲液，不仅实现了NH3 -N的去除，而且降低了MFC的内阻[47]。②MFC用于脱硫,Rabaey 等构建了不同结构的MFC并与厌氧甲烷消化装置结合，可以实现对硫化物、硫酸盐和乙酸盐的去除，提高甲烷生成效率，减少了该过程的能量损失[48]。③MFC还可用于偶氮类染料降解、用于垃圾渗滤液处理、用于金属还原与氧化、用于纤维类固体生物质资源化[49]。
3总结
要实现MFC的实际应用，提高其产电能力是关键。优化产电微生物和电池结构组成都能提高MFC的产电能力。在产电微生物方面，混合菌群更有优势。在MFC结构方面,填料型MFC显示出更好的产电效果和应用可行性。总之，MFC的研究空间才刚起步,需要研究者探索的还有很多。
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微生物燃料电池的意义
1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1
微生物燃料电池设计Word
摘要 微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约 MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在 MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定 MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于 MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进 MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的 MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化
Abstract Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC. Inexpensivesemicoke and activated carbon were used aselectrode materials and compared with conventional materials graphite and carbon felt. When used in anode, activated carbon performed best, but semicoke had poor power generation performance. The extremely low conductivity of semicoke is the main limitation for the low performance of semicoke anode.to analyze different anode material on the surface of the electricigens, electricity production process, electricity generation and electricity generation capacity difference, as MFC anode materials optimization, microbial enrichment, MFC configuration transformation and the combination of ideas, discussed the different anode materials on microbial fuel cell power generation performance influence, from the screening report of production of high efficiency of anode materials, to promote the development of related research in microbial fuel cell. Key words
微生物燃料电池设计3027407
微生物燃料电池设计3027407
摘要 微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化
Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC.
微生物燃料电池电极材料的研究进展.
微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.wendangku.net/doc/f613168820.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。
微生物燃料电池应用现状及发展前景
微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理，介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器，水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理
微生物燃料电池简介
微生物燃料电池简介 摘要：微生物燃料电池是一种新型的能源装置，具有污废弃物处理与同步产电的优点，应用范围广，具有巨大的潜在应用价值，本文对其做了一个简要的介绍。 关键词：微生物燃料电池污水处理产电 前言：微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置，兼具处理废水与产电的功能，从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1]；但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池，这种电池可为宇宙飞船提供电能，但其发电效率较低；到2004年，废水首次被用作MFC的燃料来发电，并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中，MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中，MFC的规模在逐步扩大。目前，实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升，产电功率已达到2.8kW m-3。近年来，对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成：阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂，以阳极液中的有机物质作为燃料，利用微生物降解生物质，从而产生电子，产生的电子到达阳极，由阳极转移到外电路，最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子，产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程，产生电能。当外电路接入负载时，MFC 产生的电能足够多时，MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同，MFC的分类方法有所不同。 （一）根据不同类型的微生物，MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 （二）依据电池中电子不同的传输方式，MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 （三）根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 （四）根据反应器外观上的不同可分为：双极室MFC和单室MFC。
微生物燃料电池毕业设计论文
微生物燃料电池毕业论文 目录 A BSTRACT .................................................. 错误!未定义书签。第一章．文献综述 (1) 1.1能源发展与环境问题 (1) 1.2微生物燃料电池 (1) 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 (1) 1.3微藻型微生物燃料电池 (2) 1.3.1 微藻阳极底物型MFC (3) 1.3.2微藻生物阳极型MFC (3) 1.3.3微藻生物阴极型MFC (5) 1.4微生物燃料电池的应用前景 (5) 1.5本课题研究容，目的及意义 (6) 1.5.1本课题研究目的及意义 (6) 1.5.2 本课题的主要研究容 (6) 第二章实验材料与方法 (7) 2.1实验材料 (7) 2.1.1主要试剂及仪器 (7) 2.1.2实验装置 (8) 2.2实验方法 (9) 2.2.1 MFC的接种及启动运行 (9) 2.2.2 MFC运行条件 (11) 2.2.3 测定指标及方法 (12) 2.2.4 实验材料处理方法 (12) 2.2.5实验容 (12) 第三章结果与讨论 (14)
3.1各周期输出电压的情况 (14) 3.2各周期阴极藻的生长情况 (15) 3.3各周期阳极人工废水的COD处理情况 (16) 3.4各周期阴极溶氧的变化情况 (17) 第四章结论与展望 (20) 4.1结论 (20) 4.2展望 (21) 参考文献 (22)
第一章．文献综述 1.1能源发展与环境问题 能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系[1]。随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性[2]。 1.2 微生物燃料电池 微生物燃料电池(MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置，它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 微生物燃料电池利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能，即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理[3,4]是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下:
微生物燃料电池
微生物燃料电池 1.引言 能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。经济发展的同时，能源消耗也在急剧增长，而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。寻找新型能源，实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。清洁能源的发展则成为解决问题的关键。与此同时，不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。 微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。首先，微生物电池的燃料来源比较多样化，如多种有机无机材料，甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能，净化环境。其次，微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入，满足环境友好型电池的需求。此外，微生物燃料电池的能量转化效率非常高，可以发展成长效、低廉的能量系统；加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作，实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。 微生物燃料电池的发展历史中，经历了几次重大进步。1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，首次实现了微生物产电，从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。20世纪80年代，细菌发电取得重大进步，随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高，其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。2002年以后，微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段，研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池，也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。近年来，微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。 2.微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置，能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物，并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。原理如图1所示[3]。微生物燃料电池中，氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极，电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极，而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极，在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。
微生物燃料电池练习题
微生物燃料电池与电解氯化铝制备单质铝 Ⅰ.美国俄勒冈州立大学的研究团队近日在英国《能源与环境科学》期刊发表了一篇文章，阐述了他们的发明：利用微生物燃料电池从废水里面提取出电能。参与该研究的一位教授解释说：“废水中其实含有巨大的电能，但它们通常都被捆绑在有机分子上，非常难提取和利用。我们发明了一种新型的微生物燃料电池，里面的微生物在产出净水的时候，是要吃进有机物的，但我们给系统接上了阴极和阳极，利用两电极之间的吸力先将附在有机分子上的电子吸出来，让它们形成一股电流，从而产生了电能。” 1.请你用“化学语言”简要复述这位教授的解释。 2.请你分析这项发明的前景。 3.利用微生物发电也有其他形式，比如沼气发电，其原理是利用微生物先生成甲烷，再转化为电能。在通常情况下，8gCH4完全燃烧生成CO2和液态H2O时，放出445 kJ的热量。写出热化学方程式 现有一碱性（利用KOH溶液做电解质溶液）甲烷燃料电池，请你写出该电池的电极反应式：负极： 正极： 在电池工作时，负极周围溶液的pH（忽略溶液体积的变化）（选填“变大”“变小”或“基本不变”） 若用甲烷燃料电池作为电源电解饱和食盐水制备烧碱和氯气，从理论上计算，160kgCH4产生的电能最多可制取多少吨30%的烧碱溶液？同时获得多少立方米（标准状况）氯气？ Ⅱ.1.电解法用来制备比较活泼的金属。其前提是该化合物必须是（） A.碱性氧化物 B.金属氧化物 C.共价化合物 D.离子化合物 2.制备铝单质就是在加入冰晶石（助熔剂）的条件下，高温电解熔融Al2O3，电解槽的阳极材料一般选用，在实际生产过程中，需要定期补充该材料，这是因为 。 3.过去认为不可能用电解AlCl3来制铝的，但近年来，这种说法被打破，比如电解NaCl-AlCl3熔盐体系制金属铝，并取得初步研究成果。工艺如下：用氧化铝为原料，制得无水AlCl3，再制备AlCl3离子型液体（例如AlCl3－NaCl），以此AlCl3离子型液体进行电解。 实验证明，在阳极发生的电解反应是AlCl4-失去电子生成离子Al2Cl7-，试写出该电极反应式。 生成的Al2Cl7-离子移动到阴极，并在阴极得电子生成Al单质。试写出该电极反应式
生物质燃料电池
杨航锋化学工程2111506055 生物质燃料电池 按燃料电池的原理，利用生物质能的装置。可分为间接型燃料电池和直接型燃料电池。 在间接型燃料电池中，由水的厌氧酵解或光解作用产生氢等电活性成分，然后在通常的氢－氧燃料电池的阳极上被氧化。 在直接型燃料电池中，有一种氧化还原蛋白质作为电子由基质直接转移到电极的中间物。如利用N，N，N'，N'－四甲基－P－苯氨基二胺作为介质，由甲醇脱氢酶和甲酸脱氢酶所催化的甲醇的完全氧化作用，可用来产生电流。 生物燃料电池尚处于试验阶段，已可提供稳定的电流，但工业化应用尚未成熟。燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。 生物燃料电池（biofuelcell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶燃料电池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池 生物燃料电池能量转化效率高怛一、生物相容性好、原料来源广泛、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的绿色电池。它在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值，如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗b’4 o以及生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、可再生，因此生物燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。它可以直接将动物和植物体内贮存的化学能转化为能够利用的电能。近年来随着对可再生能源和人体医疗技术发展的要求，生物燃料电池逐渐引起更广泛的关注。 1.酶生物燃料电池 在酶燃料电池中，酶可以与介体一起溶解在底物(燃料)中，也可以固定在
电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。在早期的生物燃料电池系统中，更多地用气体扩散电极与酶阳极或阴极相匹配M’70，用两种不同酶电极的酶燃料电池较少。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶燃料电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外，使用固定酶电极的酶燃料电池为了防止两电极间电极反应物与产物的相互干扰，一般将正、负电极用质子交换膜分隔为阴极区和阳极区，即两极室酶燃料电池，这与传统电池阴极／隔膜，阳极的结构相仿。1999年出现的无隔膜酶燃料电池，取消了隔膜、电池外壳和相应的密封结构，可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。 2.微生物燃料电池 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。 根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应； 如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。 2.1 微生物燃料电池的优势 与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的
微生物燃料电池中新型阳极微生物固定方法研究
微生物燃料电池中新型阳极微生物固定方法研究 利用苯胺/聚乙烯醇复合导电水凝胶包埋大肠杆菌作为阳极构建微生物燃料电池。此电池的最高功率密度超过400mW·m-2，而电池内阻则降低到大约151Ω。这证明新的阳极微生物固定方法能够促进微生物燃料电池性能的提高。 标签：微生物燃料电池；导电水凝胶；包埋；内阻；功率密度 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种可以通过微生物的催化作用直接將水中污染物中的化学能转化为电能的装置[1]。因此，MFC被看做一种能在处理水中污染的同时产生电能的环境友好的新能源装置。但由于MFC 输出功率的局限尚没有得到广泛的实际应用。目前在该领域的研究大多集中于提高MFC性能，其中阳极的材料和结构改进成为热点之一[2]。 导电聚合物材料因为良好的性能在MFCs阳极改进研究中得到了广泛应用，并取得了良好的效果[3]。2012年，Pan等合成出了一种电导率达到0.6S·cm-1的聚苯胺水凝胶[4]。本文中利用聚乙烯醇与这种聚苯胺水凝胶混合形成一种复合导电水凝胶，并利用该种复合导电水凝胶包埋大肠杆菌制备了一种结构新颖的MFC阳极，在提高MFC功率及降低内阻方面取得了较好效果。 1 材料与方法 1.1 微生物电极制备 在2.0mL4%的聚乙烯醇溶液中加入0.46mL苯胺和0.92 mL50%的植酸配置成溶液A。称取0.25g过硫酸铵溶解于0.5mL去离子水中制得溶液B。在溶液A 中加入20mg大肠杆菌后，将A、B两种溶液冷却至4℃后混合，至于-10℃下2h，凝固于4℃下融化，反复三次形成包埋有大肠杆菌的绿色导电水凝胶，即构成微生物电极。 1.2 MFC电池的组装及内阻测试 使用上述微生物电极作阳极，碳纸作为阴极构建双室MFC电池。在LB培养基中加入2g·L-1葡萄糖和80μmol·L-1NR作为阳极室溶液。用pH值为7.0的0.1mol/L磷酸缓冲溶液作溶剂配制成0.1mol·L-1铁氰化钾溶液作为阴极室溶液。 电池外接1000Ω电阻作为负载，待运行稳定后，利用稳态法测量MFC电池在不同外阻下放电时的外电阻电压，通过公式I=U/R及P=U2/R计算得到电池在不同阻值下的电流及功率，并对功率和电流作图得到功率曲线。 1.3 微生物电极的电镜观察 从运行稳定后的阳极表面切取样品，浸入2.5%的戊二醛溶液中2h，对电极
微生物燃料电池基本原理
微生物燃料電池基本原理 微生物燃料電池（microbial fuel cells, MFCs）是藉由微生物的催化反應，將化學能（燃料）轉換為電能的組件（Allen and Bennetto, 1993； Min and Logan, 2004；Lovley et al., 2004）。典型的微生物燃料電池是由陽極和陰極，以及一片質子交換膜所構成，微生物於陽極分解氧化燃料，並同時產生電子和質子，電子可經由外部電路到達陰極，而質子則通過質子交換膜到陰極，在陰極會消耗電子和質子與氧結合產生水（Kim et al., 2003 ）。如下圖所示（Scholz and Schronder, 2003），這是以葡萄糖作為燃料，Rhodoferax ferrireducens 做為催化氧化還原反應的微生物，可簡易說明微生物燃料電池的反應。 圖2 微生物燃料電池示意圖 附著在電極上的微生物，對燃料電池而言，除了分解槽中的燃料外，傳遞電子到電極表面也為重要的功能之一。Chaudhuri and Lovley（2003）發現附著在電極纖維上的嗜甜微生物（R. ferrireducens）的生物膜，不僅具有將電極表面作為終端電子接受者的細胞構造，也具有在細胞膜運輸電子與質子的功能，但這些機制的細節仍須加以研究，且細胞的附著性與細胞之間的訊息傳遞情形，對細胞生物學的領域而言，也是個重要但未知的學問（Palmore, 2004）。 微生物燃料電池發展過程 1910年，英國植物學家Potter發現，含有代謝作用微生物的燃料電池槽與另一含有無菌鹽類溶液槽之間會有電位差，因此Potter 便在這兩個槽之間加入電阻而獲得電流，由此證明微生物能產生電壓及傳送電流（Potter, 1911）。1931年，Cohen重複Potter的概念，結果發現批次式的微生物燃料電池可產生超過35 V 的電力（Shukla et al., 2004）。直到1960年代，生物燃料電池才開始受到歡迎。當時美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration,
最新微生物燃料电池设计3027407
微生物燃料电池设计 3027407
摘要 微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约 MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在 MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定 MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于 MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进 MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的 MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。 关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化
Abstract Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited. Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC. Inexpensivesemicoke and activated carbon were used aselectrode materials and compared with conventional materials graphite and carbon felt. When used in anode, activated carbon performed best, but semicoke had poor power generation performance. The extremely low conductivity of semicoke is the main limitation for the low performance of semicoke anode. to analyze different anode material on the surface of the electricigens, electricity production process, electricity generation and electricity generation capacity difference, as MFC anode materials optimization, microbial enrichment, MFC configuration transformation and the combination of ideas, discussed the different anode materials on microbial fuel cell power generation performance influence, from the screening report of production of high efficiency of anode materials, to promote the development of related research in microbial fuel cell. Key words
微生物燃料电池-新型产能生物技术
微生物燃料电池：新型产能生物技术 作者: duoxin 发布日期: 2005-12-31 查看数: 205 出自: https://www.wendangku.net/doc/f613168820.html, 微生物燃料电池（MFCs）提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同时也可以利用废水中含有的各种复杂物质。关于它所涉及的能量代谢过程，以及细菌利用阳极作为电子受体的本质，目前都只有极其有限的信息；还没有建立关于其中电子传递机制的清晰理论。倘若要优化并完整的发展MFCs的产能理论，这些知识都是必须的。依据MFC工作的参数，细菌使用着不同的代谢通路。这也决定了如何选择特定的微生物及其对应的不同的性能。在此，我们将讨论细菌是如何使用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出的能力。对MFC技术的评价是在与目前其它的产能途径比较下作出的。 微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。但是，经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。 MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。 与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。 微生物燃料电池中的代谢 为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还