第十二章 MFC的发展前景

第十二章MFC的发展前景李永峰教授目录12.1MFC的研究现状及前景112.2MFC的应用现状及前景2MFC的基本结构MFC的基本结构与其他类型燃料电池类似，由阳极室和阴极室所组成。根据阴极室结构的不同可分为单室型和双室型，根据两室间是否存在交换膜又分为有膜型和无膜型。4质子迁移3外电路电子传输1对能源输入，产出可实施量化处理1对能源输入，产出可实施量化处理2阳极还原1底物生物氧化5阴极反应MFC系统产电过程分解的5个步骤前两个步骤是整个反应的限速步骤，即电子的产生与传递效率是影响MFC输出功率的最重要的因素。MFC的基础研究就是对这5种产电机制的研究。阳极还原外电路电子传输当负载较高时，电流较低，内部产生的电子足够用于外电路传输，故电流较稳定，内部消耗较小，且输出电压较高；负载较低时，电流较高，内部电子的产生和传递速度低于外部电子传递，故电流变化较大，内部消耗较多，输出电压较低。MFC的研究进展目前MFC产电机制研究仍处于起步阶段，电池输出功率较其他电池技术差距较大，严重制约实际应用。MFC的研究进展——吃肉的机器人是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。原理如下图微生物传递电子的形式目前为止，微生物传递电子的形式大致分为两种：直接进行电子传递和利用介体进行电子传递，如图。底物的种类底物类型浓度微生物阳极材料MFC类型功率密度/mW·m-2乙酸盐1g.L-1RhodocyclaceaeBurkholderiaceae碳毡单室3650丁酸盐1g.L-1碳纸单室349葡萄糖500mg.L-1碳布单室1540乳糖200mg.L-1GeobactersulfurreducensBetaproteobacterialBacteroidetesDeltaproteobacteria碳纸两室52±4.7纤维素1g.L-1ClostridiumcellululolyticumGeobactersulfurreducens石墨板两室143乙醇70mg.L-1ProteobacteriumCore-1Azoarcussp.Desulfuromonassp.M76碳纸单室488±12底物类型浓度微生物阳极材料MFC类型功率密度/mW·m-2半胱氨酸770mg.L-1Shewanellaspp.碳纸两室39淀粉10g.L-1Clostridiumbutyricum石墨两室2600苯酚400mg.L-1碳纸两室6生活污水450-470mg.L-1石墨碳刷单室422酒厂废水2240mg.L-1碳布单室528造纸厂废水2.452g.L-1石墨碳刷单室672±27底物的种类底物对MFC产电能力的影响微生物氧化底物传递电子的能力直接影响着MFC的电能转化效率。底物的种类、浓度等实验条件的不同，会导致电流、功率密度、污染物去除效率等的不同。在各种碳源培养的MFC中，菌群结构的差异和多种电子传递机制，影响了MFC产电效率的高低。如在相似的实验装置下，乙酸盐为底物的MFC的功率密度为506mW/m2，而生活污水的MFC的功率密度为146mW/m2。底物的浓度会限制溶液中的氧化还原反应，从而影响电流的输出。Mohan等报道了以水体作为碳源的底物浓度对功率输出的影响，水体中有机物含量越高，其功率输出也越高。Jadhav等也通过实验指出了在一定的COD范围内电流与底物去除的线性关系。底物化学能的转化贮存在有机物中的能量通过一系列脱氢反应被传递。自有机物脱下的氢最终可与分子氧、有机物或无机物等氢受体相结合，将释放出的能量转化为电能。有机物的氧化放能底物化学能的转化在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，释放出的电子经过完整的电子传递系统，传递给最终外源电子受体-分子氧，从而生成水并释放出能量，有氧呼吸是获得能量最多的一条途径。无氧呼吸是无氧条件下，释放出的电子经过部分电子传递系统，最终的电子受体不是氧分子，而是氧化态的无机物或有机物。由于无氧呼吸所经过的电子传递系统要比有氧呼吸的短，因此获得的能量也比较少。在缺少外源电子受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在这一过程中，电子载体将释放出的电子直接传递给底物降解后的内源性中间产物，如丙酮酸、乳酸等，由于作为电子受体的中间产物是分解不彻底的有机物，获得的能量也低于有氧呼吸。未来微型燃料电池的发展MFC技术已经与广泛且成熟的应用于商业的厌氧沼气池消化技术构成了竞争。微生物燃料电池自身潜在的优点使其具有较好的发展前景，但要作为电源应用于实际生产与生活还较遥远，主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。微生物可作为纯培养物或混合培养物来形成一种相互作用的微生物团提供更好的性能。虽然在MFC研究方面积累了一些基本知识，但在MFC大范围的应用方面还有很多值得学习并且有很大提升空间。未来微型燃料电池的发展生物体系缓慢的电子传递速率是微生物燃料电池发展的瓶颈。MFC的利用领域极其优越性Diagram发电，通过加入微生物MFC可以将储存在生物化学化合物中的化学能转化成为电能。生物制取氢气废水处理，城市污水中含有大量可作为MFC原料的有机化合物。AddYourTitle生物检测器，污染分析检测和原地处理监测控制。MFC的应用将在以下方面起着重要作用废水处理为海底电力设备提供电能生物修复纳米电子学生物医学领域产电微生物的多样性以及高效产电菌的筛选分离或基因工程菌的构建产电呼吸代谢中有机物的生物氧化过程.通过基因工程改变细胞中心代谢路径以加快产电呼吸速率是研究的重点；利用分子手段分析电子传递链的组成，是未来研究的难点。电极还原，即电子向阳极传递的具体途径拓展基于产电呼吸的MFC的应用领域从四个方面加强产电呼吸代谢的研究化工废水化工废水的基本特征为极高的COD、高盐度、对微生物有毒性，是典型的难降解废水。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地去除化工废水中COD、硝基苯酚等成分。微生物燃料电池处理废水工艺的应用研究4食品加工废水2ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.3畜牧养殖废水1对能源输入，产出可实施量化处理2ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.7微生物燃料电池处理废水的研究方向2制药废水1化工废水5垃圾渗滤液6含氮废水制药废水抗生素是一类临床用于治疗各种细菌感染或其它致病微生物感染的重要药物，该类药物抗氧化性强，对微生物生长的抑制性强，难以生物降解，它的大量生产、消费和使用，对环境带来了严重的污染。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地降解某些抗生素。畜牧养殖废水牲畜废水含有大量的有机物，是非常适合使用MFC技术进行处理的一种废水。食品加工废水食品工业废水的特点是有机物质和悬浮物含量高，一般无大的毒性。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地处理食品加工废水。垃圾渗滤液城市垃圾填埋场渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，其BOD5和COD浓度高、重金属含量较高、氨氮的含量较高，若不加处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地去除垃圾渗滤液中的有机物。微生物燃料电池处理废水的研究方向1对微生物产电机理进行深入研究，以提高微生物的电子传递效率，或是寻找更高电化学活性的微生物2进一步优化反应器的结构；寻求新型高效的电极材料3深入开展MFC处理各类典型工业废水、生活污水的工艺条件和降解机理研究。实现MFC的实际应用，关键问题是提高其产电能力和废水中污染物的去除效率。建议今后主要开展以下研究：传统生物脱氮理论认为MFC脱氮原理分析MFC阳极氧化有机物产生的电子传递到阴极室后，能够将阴极的硝酸盐还原为氮气，一般认为此过程经过下述4步：NO3-+2e-+2H+→NO2-+H2OE0'=+0.433VvsSHENO2-+e-+2H+→NO+H2OE0'=+0.350VvsSHENO+e-+H+→1/2N2O+1/2H2OE0'=+1.175VvsSHE1/2N2O+e-+H+→1/2N2+1/2H2OE0'=+1.355VvsSHEMFC脱氮单元结构设计——VirdisMFC环形体系MFC脱氮单元结构设计——Virdis同步硝化反硝化MFCMFC脱氮单元结构设计——Xie两种不同功能结合的生物阴极MFC