微生物电池的原理与应用

微生物燃料电池（MFC）微生物电池的原理与应用相关概念发展历史运行原理产能原理及效率电池结构电池优势现状、应用及方向目录相关概念•燃料电池（fuelcell）：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。•MFC，英文全称为microbialfuelcell，是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。主要分为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组成，中间用质子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区，阳极和阴极在同一个室内工作。发展历史•1911，英国植物学家potter，开创；•剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；•1970，生物燃料电池概念确定；•1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高•2002，bond发现特殊微生物地杆菌；•2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。运行原理PEM负载阳极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物微生物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，与电子受体（氧气）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+2H2O工作原理图示产能原理及效率•MFC本质上是收获微生物代谢过程中生产的电子并引导电子产生电流的系统。MFC的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差。由于MFC并非一个热机系统，避免了卡诺循环的热力学限制，因此，理论上MFC是化学能转变为电能最有效的装置，最大效率有可能接近100％。电池结构•从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定MFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要的辅助工具。现在，MFC阳极主要是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。•阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生物的量也就能影响产电量。因此阳极材料的选择主要就是考虑材料的比表面积。•质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截留的微孔材料。•现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。•最新的研究表明，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，但是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分为非生物阴极和生物阴极。贵金属Pt过渡金属大环化合物金属氧化物多级串联MFC填料式MFCs管状ACMFCs在构型上和操作方式上与污水处理设备中的生物滤池颇为相似;填料型MFCs类似于流化床反应器。燃料电池优势•（1）燃料来源多样化:可以利用一般燃料电池不能利用的有机物，无机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物，以及污水等作为燃料。•（2）电池的操作条件较温和:由于使用微生物作为催化剂，电池常温常压下即可运行，这与现有的发电过程不同，使得电池维护成本低、安全性强。•（3）生物相容性好:利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料，可为植入人体的一些人造器官提供电能。•（4）无需能量输入:微生物本身就可以进行能量转化，把燃料能源转化为电能，为人类提供能源。•（5）由于微生物燃料电池的唯一产物是水，所以该技术无污染，可实现零排放。•（6）能量利用率高，能量转化过程无燃烧步骤，可直接将化学能转化为电能，能量利用效率较高。现状、应用及方向•微生物电解池（MEC），一种新型的利用废水产氢技术。由于产电细菌能够释放电子，所以可以利用MFC形式的反应器进行产氢。微生物氧化底物释放电子，这些电子与同步产生的质子结合形成氢气，但是这个过程无法自行完成，需要一个电化学来辅助其产氢气。即在电路中施以外加电压。所以这个过程也称为电辅助产氢。•微生物脱盐池（MDC），用于淡化盐水。目前的海水淡化技术要高压及大量的电能。研究人员构建的以醋酸为底物，不同初始浓度的盐水的MDC，脱盐率能达到90%。•在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面：①替代能源;②传感器;③污水处理新技术;④利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌的富集。•替代能源，生物质能因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化，机器人、汽车、医疗方面应用潜力广泛。•微生物传感器的发展，广泛工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于：①电池产生的电流或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;②电池的电流对污水响应速度更快;③有较好的重复性。•作为一个新的水处理工艺目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。优点：1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。总之，MFC的替代能源的发展，微传感器的研究和水处理工艺的开发是一个良好的前景，但是，在改善电化学性能的提高电池的输出功率密度和更低的成本，电池还需要继续探索深度。随着研究的不断深入的MFC，MFC应用程序将为期不远工业化。