微生物燃料电池

日期：2017.12.20汇报人：xxx微生物燃料电池（MFC）217MFC（microbialfuelcell）：利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。•SMFC：沉积物微生物燃料电池•MEC(MicrobialElectrolysisCell):生物电解池•PEM(ProtonExchangeMembrane):质子交换膜概念1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录CONTENTSLOGO研究背景目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续发展的两大根本性问题。化石燃料的的使用大气污染：酸雨，光化学烟雾，温室效应等土壤污染：重金属沉积等水环境污染：含矿废水因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废物产能的装置正走向世界能源的舞台。LOGO1910年20世纪80年代末期1991年2002年后开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到的电池功率才有所增强；采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；英国植物学家马克·比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研究的序幕；发展现状LOGO1910年20世纪80年代末期1991年2002年后发展现状人们发现一些细菌可以直接将电子传递给固体导体，如阳极，由此提出了无需外加电子传递介体的微生物燃料电池，使微生物燃料电池的研究又进一步有了突飞猛进地发展。近几年,MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源,开发新型能源研究工作者的关注热点。1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录CONTENTSLOGOMFC的基本原理PEM负载阳极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物微生物图1.微生物燃料电池工作原理Fig.1Theworkingprincipleofamicrobialfuelcell有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：阳极反应：(CH2O)n＋nH2OnCO2＋4ne-＋4nH+阴极反应：4e-＋O2＋4H+2H2OLOGOMFC的基本原理LOGO微生物燃料电池的分类LOGO异养光能异养沉积物型异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(如藻青菌)利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差产生电能。微生物燃料电池的分类根据营养类型LOGO微生物燃料电池的分类依据微生物燃料电池的外型分类双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等)。单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低，只有30％。LOGO介体微生物燃料电池微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池中加入适当的介体，会显著改善电子的转移速率。介体应该具备的特性•介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分；•其氧化还原式量电位要与被催化体系的电位匹配；•其氧化态不干扰其它的代谢过程；•其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞；•其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并且在细胞和电极表面均不发生吸附；•其在电极上的氧化还原反应速率非常快、且有很好的可逆性。微生物燃料电池的分类LOGO无介体微生物燃料电池指微生物燃料电池中的细菌能分泌细胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由细胞膜内转移到电极上。可使用微生物目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌(Shewaulellaputrefaciens)、地杆菌(Geobacteraceae），酸梭菌(Clostridiumbutyricum)及(RhodoferaxFerrireducens)、粪产碱菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠球菌(Enterococcusgallinamm)和铜绿假单胞菌(PseudomonaSaemginosa)等。微生物燃料电池的分类LOGO微生物燃料电池的组成LOGO微生物燃料电池的组成组成成分原料标注阳极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需阴极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需阳极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃必需阴极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃非必需质子交换膜质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸必需电极催化剂铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体非必需LOGO微生物燃料电池的组成阳极材料一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。LOGO微生物燃料电池的组成微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.直接接触;B.纳米导线;C.氧化还原介体;D.还原态初级代谢产物原位氧化阳极研究进展阳极产电机制LOGO其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。氧化态中间体还原态中间体排除体外电极表面被氧化细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线（nanowire）。微生物降解有机物产生初级代谢产物，初级代谢产物在催化剂的作用下发生原位氧化反应，将产生的电子传递至阳极。A细胞膜直接传递电子B纳米导线C由中间体传递电子D还原态初级代谢产物原位氧化微生物燃料电池的组成LOGO微生物燃料电池的组成阳极材料的要求是：高导电，耐腐蚀，高比表面积（区每卷），孔隙率高，非污染（例如，细菌不会填满它），廉价，和容易和规模较大的尺寸。•Qiao报道了用碳纳米管/聚苯胺(CNT/PANI)作为MFC阳极。•Kargi等用铜和铜-金导线来代替石墨电极作为MFC的阳极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。•Rosenbaum研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。1.加入其他催化剂LOGO微生物燃料电池的组成•碳布进行了氨基修饰后，由于氨基基团的存在，材料本体上的表面电荷得到了显著增加，微生物与电极表面间的静电作用得到了显著增强，同时氨基与微生物表面的羧基形成肽键，增强它们之间的相互作用。•电化学氧化修饰法主要是通过在酸性溶液中的电解，增加电极表面的羧基基团。虽然微生物表面净电荷为负电，电极表面羧基的增加会增大静电排斥力，但是由于微生物表面存在着大量细胞色素，其上含有许多活性基团，羧基可以与细胞色素上的活性基团形成强烈的氢键等化学键作用，增强了微生物与电极之间的化学相互作用。2.对材料的改性LOGO微生物燃料电池的组成阴极材料阴极是制约MFC产电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是氧气的还原速度较慢，直接影响了MFC的产电性能。MFC阴极非生物阴极生物阴极好氧型厌氧型根据最终电子受体不同生物阴极可显著降低MFC成本，避免催化剂中毒，提高稳定性。好氧型生物阴极空气中的氧气是常用的电子受体；厌氧型生物阴极常以硝酸盐、硫酸盐、尿素和CO2等为电子受体。非生物阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素等。Pt是最广泛的高效催化剂，能使MFC的产电性能提高近4倍。但成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。LOGO微生物燃料电池的组成•在双室MFCs中,PEM的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。•在单室MFCs中,一般采用“二合一”电极,即将PEM热压在阴极内侧。质子交换膜(PEM)PEM对电池产电性能影响也很大:LOGO微生物燃料电池的组成产电微生物及其群落无介体微生物是MFC研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出。纳米导线的发现，不仅给微生物燃料电池在提高产电效率方面带来了希望、设计和制造廉价高效的生物阳极，还为环境污染修复、细胞生物信息学以及纳米生物电子学方面提供了潜在的应用前景，因此，生物纳米导线的人工制备方法是今后研究的主题之一。LOGO微生物燃料电池的组成①MFC实物组图②电化学工作站③数据采集系统④恒温培养箱⑤无菌操作台⑥厌氧工作站①②③④⑤⑥1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录CONTENTSLOGO微生物燃料电池的应用优点：•在微生物的催化下，生物质能直接转化为电能，理论转化效率高;•生物质廉价且来源广泛，无需特殊的预处理过程;•使用微生物取代贵金属催化剂降低了燃料电池的基础投资，使建造廉价的大规模MFC成为可能;•常温常压pH中性条件下运行，生物相容性好;•产物无毒无害，是碳中性的绿色产能技术。LOGO微生物燃料电池的应用•产电功率密度低；•对于细菌本身的呼吸方式和电子传递到电极机理研究不够；•使用价格不菲的碳纸、载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电池的造价成本高，•MFC多以间歇操作为主，且反应器容积过小；•研究的阳极底物一般仅为有机养料和模拟废水的混合物，对高有机物浓度废水的MFC技术研究较少，针对废水处理的MFC基础研究较少。•采用空气阴极成功构建微生物燃料电池，并将其用于生活污水的处理，结果发现化学需氧量的去除率可达80％；•微生物燃料电池处理了含不同底物的污水，该研究可以连续处理水，并在此过程中持续产生电流。废水处理LOGO微生物燃料电池的应用•能否把微生物控制在一定范围内；•现在起搏器主要使用锂-碘电池，寿命是八九年；而生物燃料电池的寿命不可控制；•微生物的耐受能力。•开发出了一种新型微生物燃料电池并将其植入到人体内，作为微型心脏起搏器。•作为高空、深海、偏远地区等特殊区域的电源，在深海底部为海底需要实施监控的仪器提供电能。特殊环境中的电源LOGO微生物燃料电池的应用产氢（MEC）生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体—氧气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际应用。其工作原理：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。LOGO微生物燃料电池的应用生物传感器生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置，包括生物识别元素和信号传输放大元素。由于微生物燃料电池的电流（电压）或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系，因此微生物燃料电池能用于某些底物含量的测定，如有机碳、废水BOD以及有毒物质等，其中用于废水中BOD测定的研究最为成熟，已有相关报道。LOGO微生物燃料电池的应用MFC技术资源化利用剩余污泥剩余污泥的处理处置一直以来都难以达到满意的效果，已经成为制约污水处理事业发展的瓶颈问题，其处置形势已经十分严峻，因此，寻求经济有效的减量化、稳定化以及资源化污泥处理处置技术具有重要的现实意义。以MFC技术来处理剩余污泥成为污泥处理的又一新方向。此法不但可以减少污泥处置费用，还可以使污泥减量化，又能将污泥中丰富的有机质能转化为电能，从而实现污泥的资源化利用。LOGO微生物燃料电池的应用MFC资源化利用剩余污泥有两种形式