微生物燃料电池

微生物燃料电池小组成员：MicrobialFuelCellPPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：论坛：模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：论坛：能源是人类赖以生存和发展的重要资源,然而，现有的能源利用方式存在效率不高，不可再生，环境污染严重等问题,而生物质燃料电池作为一种清洁能源，正逐渐成为催生新能源的生长点。微生物燃料电池最初在1910年开始出现，但由于发电效率低下和当时多种其他发电方式的发现是得其研究一度陷入冷门，直至后来发现新技术大大提高其发电效率而重新被人们重视。FirstSecondThird自21世纪以来，一方面由于对环境的重视而呼吁清洁能源，另一方面由于能源危机的巨大压力而加大寻找新能源的力度，微生物燃料电池开始成为热门研究对象和开发重点。MFC的发展51910年，英国达拉谟大学的植物学家Potter教授利用大肠杆菌作为微生物催化剂在半电池的Pt电极上将酵母氧化，并获得电流输出。生物燃料电池研究由此开始，微生物燃料电池是利用微生物催化剂将化学能转变为电能的装置。MFC的雏形重要突破研发高潮20世纪80代，研究人员才发现可以通过向阳极额外投加电子中介体来加速电子从底物向电极表面的转移，进而提高电池的功率输出。英国化学家发现一种细菌电池，其发电效率可达40％，远高于现在使用的电池的效率而且还有10％的潜力可挖。经过十多年的快速发展，每年研究报道呈指数型增长，并在提高MFC的功率输出、降低内阻、优化MFC结构及降低成本等方面进行了大量的研究，使得功率密度增长了几个数量级，研究成果为其工业化应用提供了强有力的支撑。基本原理基本概念7微生物燃料电池微生物燃料电池是利用微生物作为催化剂，氧化分解生物质同时输出电能的一种新装置，因其可将生物质中化学能直接转化为电能，可获得更高的能量转化效率。阳极材料高性能的阳极作为MFC中重要的结构，不仅能为高活性菌株提供牢固的附着点、电化学催化高活性位点，而且还具备减小电子传递阻力、生物相容性良好等优点。现在常用石墨、纳米材料、石墨烯等作为阳极。隔膜隔膜用于分隔阴阳极室，过去常用玻璃纤维、盐桥、碳纸等作隔膜，后为了减小内阻而采用需求不同的质子膜。阴极材料MFC的阴极主要作用是接受电子受体，用以接受阳极氧化释放出来的电子。一般而言，材料的电极电位越高越有利于接受电子，提高产电效率。目前常用的阴极材料是生物阴极、空气(主要是O2)阴极和电解液阴极。工作原理8微生物燃料电池是由阳极和阴极，以及一片离子交换膜所构成，微生物于阳极分解氧化燃料，并同时产生电子和质子，电子可经由外部电路到达阴极，而质子则通过质子交换膜到阴极，在阴极会消耗电子和质子与氧结合产生水。如下图所示，这是以葡萄糖作为燃料，嗜甜微生物作为催化氧化还原反应的微生物，可简易说明微生物燃料电池的反应。作用理论9化学电源角度从化学电源的观点来看，最原始的MFC和氢燃料电池在构造和组成上十分相似，均由阳极、离子交换膜和阴极组成，阴极使用金属Pt作为催化剂来降低阴极反应的过电位损失。唯一不同的是氢燃料电池的阳极使用的是高纯度氢气作为燃料，Pt金属作为催化剂；而MFC阳极使用的是液态有机化合物作为燃料，以生长在电极表面的厌氧微生物作为催化剂。废水处理角度MFC属于复合式处理系统，它既不同于污水好氧处理，又不同于厌氧处理。就阳极转移电子的微生物而言，MFC无疑属于厌氧处理技术，因为阳极中电极还原微生物必须在厌氧条件下才能生长，形成厌氧生物膜；但是阴极通常要通过曝气来提供电子受体，因此MFC也是一个好氧处理系统，只是这里的氧气不参与微生物的生理代谢，而是在阴极间接接受从阳极释放出来的电子和质子参与电化学还原。总而言之，MFC是一种完全新型的废水生物处理技术，其基本原理是利用微生物用酶替代贵金属作为催化剂，直接将生物质能或有机质转化为电能的装置。种类介绍种类介绍11010203结构不同电子转移形式不同阴极反应不同1.双室型MFC2.单式型MFC1.间接型MFC2.直接型MFC1.非生物阴极型2.生物阴极型双室型MFC12双室型MFC较为常见，其装置有两个槽组成，分别为阳极槽和阴极槽。阳极槽保持厌氧,阴极槽保持有氧。阳极放在阳极槽中，产生电子；阴极放在阴极中，传递电子到末端电子受体氧气。极和阴极之间有外接电线连接,中间还串联一个电阻器或其他电子设备。如图1所示。单室型MFC13单室MFC从电极形式上可分为“二合一”型和“三合一”型两种。“二合一”型指阴极和质子膜压合在一起，阳极相对独立，故对阳极上产电微生物的影响较小；“三合一”型是将阳极、质子膜和阴极依次压合在一起，使内阻大幅度降低。阳极和阴极距离小，氧气易透过质子膜传递到阳极。0103这种结构缩短了阴阳极之间的距离，提高了传质速率，减小电阻，最有利的是无需曝气，大大降低了实际运行费用。02单室MFC省去了阴极室，物质在单室阳极处被微生物氧化，电子由阳极传递到外电路到达阴极，质子转移到阴极处经过质子交换膜(或质子交换膜不存在)到达阴极，阴极暴露在空气中，氧气作为直接的电子受体直接型MFC14直接微生物燃料电池是指底物直接在电极上被氧化，电子直接由底物分子转移到电极,生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应。装置见图。定义间接型MFC15间接微生物燃料电池的底物不在电极上氧化，而是在电解液中或其它地方发生氧化后，产生的电子由电子介体运载到电极上去。装置见图。定义发展优势发展优势1701能源清洁，且无污染1.利用细菌分解生物质产生生物电能,相比于传统电池而言具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛。微生物燃料电池的能量转化效率非常高，可以发展出价廉、长效的电能系统。2.微生物燃料电池利用废液、废物作燃料，不仅产生了电能，而且也净化了环境。3.无污染，可实现零排放，而且微生物燃料电池的唯一产物是水。02处理废水，废物利用1.微生物燃料电池可以同步废水处理和产电,是一种废水资源化技术。把MFC用于废水处理大大提高了资源利用效率，也是当前微生物燃料电池的研究热点之一。2.对于高浓度有机污水，好氧生物处理法曝气过程耗能大，运行费用高;厌氧生物处理法的运行费较低，但产生的气体甲烷还没得到很好地回收利用。微生物燃料电池废水处理技术不同于厌氧生物处理法和好氧生物处理法，是一种能够利用微生物作为催化剂将废水中有机化合物氧化分解，并将化学能直接转化为电能的方法。制约因素制约因素19输出功率低微生物燃料电池受有机物氧化速率低、内阻偏大等影响，造成输出功率较低,严重制约了MFCs的实际应用。微生物性能差目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的,需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物（即能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物）。应用实例应用实例2101能源方面近年来，经过各国研究者的努力，MFC研发取得重大进展，产电能力呈现指数增长。1.在2006年便有人使用高锰酸钾作为阴极电子受体，使阴极电位显著提高（阴极电位达到1.385𝑉，目前最高纪录），产电功率密度达到115.6𝑚𝑊/𝑚2，比用铁氰化钾和氧气分别提高了4.5倍和11.3倍。此后，他们对阴极pH进行优化，使产电功率密度进一步提高到3986.72𝑚𝑊/𝑚2。在2007年科研人员在单室空气阴极MFC中增加新的电极组件，显著减小了MFC内阻，使其功率密度分别达到627𝑊/𝑚3（间歇运行）和1010𝑊/𝑚3（连续运行）。2.微型化是MFC发展的一个重要方向。微型化MFC有可能成为电子设备的绿色电源。在2009年科研人员采用芯片技术开发的双室微流路MFC阳极室和阴极室电压分别只有1.5𝜇𝐿和4.0𝜇𝐿，最大电流密度和功率密度分别可达1300𝐴/𝑚3和15000𝑚𝑊/𝑚3，有望成为新一代的微型电源。3.在传统MFCs中，电子通常到达阴极与质子和氧气结合生成水；然而，通过控制阴极电势，电子可直接与质子结合生成氢气。早在2005年科研人员外加电压以乙酸为基质制得氢气，产率为2.9𝑚𝑜𝑙/(𝑚𝑜𝑙乙酸).应用实例2202环境方面1.环境修复MFC以微生物为催化剂，利用电极作为电子供体或电子受体来去除环境中的污染物，几乎无二次污染；MFC是一个可控的电化学系统，可以通过电极实现精确投加，也可通过调节电压和电流等参数，有效控制生物修复的反应速度和进度；MFC适用范围广，可用于多种污染物的修复。2.环境监测MFC不但可用作BOD传感器，也可用作毒性检测传感器，还可作为电源向野外环境监测传感器供电实现远程监测。应用实例2303废水处理方面1.有机废水有机物是MFC中最常用的燃料，从简单的小分子有机酸到复杂的木质纤维素，都可作为MFC的燃料，因此MFC可用于处理各种类型的有机废水。此外，从低浓度的生活污水到高浓度的淀粉、养殖废水，MFC对不同浓度的有机废水具有较强的适应性。2.无机废水MFC可分别利用氨氮和硝酸盐氮作为电子供体和电子受体，在产电的同时进行废水脱氮。3.废水脱盐利用MFC进行废水脱盐兼具经济性和高效性。在MFC工作时，阴、阳离子会在电场作用下跨膜扩散，在废水中污染物被降解的同时其盐度也不断降低。未来展望未来展望2501如果MFC发电功率提高，那就可以应用于生活和工业的电力供应。用于发电02如果找到一种高效的产电微生物和特殊的PEM交换膜,那么MFC，就可以达到海水淡化的目的，而且具有能耗低,环保和可持续的优点。海水脱盐03作为人造器官的动力源,需要长期稳定的能量供给,而人体内源源不断的葡萄糖摄入恰好可以满足MFC作为这种动力源的燃料需要，再加上MFC可以微型化这就方便了嵌入人造器官。人造器官的动力来源04利用MFC生物修复