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微生物燃料电池及其应用研究进展
发布者：佛山天诚聚能科技有限公司 | 发布时间：2022/6/2 14:21:38 | 浏览： |
| 微生物燃料电池及其应用研究进展 微生物燃料电池(ＭＦＣ)是一种以微生物为阳极催化剂,将化学能直接转化成电能的装置。利用ＭＦＣ不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流,从而获得电能。因此,无论是利用ＭＦＣ输出电能的特点进行新型能源的开发,还是利用ＭＦＣ电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究,以及利用ＭＦＣ的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化,对ＭＦＣ的研究均具有重要的理论意义和应用价值。本文将从电池基本结构、微生物驯化和应用研究等方面对微生物燃料电池的研究现状和应用前景进行综述及分析。 1 基本结构和运行原理 与其他类型燃料电池类似,微生物燃料电池的基本结构为阴极池加阳极池。根据阴极池结构的不同,ＭＦＣ可分为单池型和双池型2类;根据电池中是否使用质子交换膜又可分为有膜型和无膜型2类。其中单池型ＭＦＣ由于其阴极氧化剂直接为空气,因而无需盛装溶液的容器,而无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。 ＭＦＣ的阳极材料通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料,其中为提高电极与微生物之间的传递效率,有些材料经过了改性[5]。阴极材料大多使用载铂碳材料,也有使用掺Ｆｅ3 的石墨[1]和沉积了氧化锰的多孔石墨[6]作为阴极材料的报道。 ＭＦＣ基本工作原理为[7]:①在阳极池,水溶液中或污泥中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物,电子通过载体传送到电极表面。随着微生物性质的不同,电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的ＮＡＤＨ和色素分子,也可能是微生物代谢产生的还原性物质,如Ｓ2-和Ｈ2等[8]。②电子通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极。③在阴极表面,处于氧化态的物质(如氧气等)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。 2 阳极微生物的研究进展 21 微生物的筛选与分类 自20世纪70年代ＭＦＣ概念正式提出以来,微生物的筛选一直是ＭＦＣ的研究重点。目前,已用于ＭＦＣ的微生物根据其电子传递途径的差异可以分为2类:第1类微生物,如Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ、Ｐｒｏｔｅｏｕｓｖｕｌｇａｒｉｓｈ和Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ[9]等,代谢产生的电子需要外源中间体的参与才能传递到电极表面;第2类微生物,如Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ[10]、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ[11]、Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ[12]等,代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面。通常用第1类微生物接种的ＭＦＣ称为间接ＭＦＣ,用第2类微生物接种的ＭＦＣ称为直接ＭＦＣ。 4 质子交换膜 在传统的燃料电池中,质子交换膜是不可缺少的重要组件,其作用在于有效传输质子,同时抑制反应气体的渗透,但在ＭＦＣ中是否需要保留质子交换膜则是研究人员关注的课题。最近的研究结果显示,对于空气阴极ＭＦＣ来说,取消质子交换膜虽然降低了电池库仑效率,但明显提高了电池的最大输出功率。这主要是由于取消质子交换膜以后,氢离子易于进入阴极表面,降低了电池的内电阻,进而提高了电池的输出功率;但同时由于没有质子交换膜的阻拦,氧气很容易进入阳极池,更多有机物通过好氧过程降解,从而使用于转化成电能的有机物减少。 在已有的ＭＦＣ中,大多采用商业化的质子交换膜,专门针对ＭＦＣ进行膜材料开发的研究较少。Ｇｒｚｅｂｙｋ等[23]在自行合成质子交换膜的基础上,考察了质子交换膜中二乙烯基苯(ＤＶＢ)的比例与ＭＦＣ性能之间的关系。Ｐａｒｋ等则尝试考察了陶瓷膜在ＭＦＣ的应用效果。 5 微生物燃料电池应用研究进展 已有研究结果显示,微生物燃料电池在以下方面具有应用开发前景:①替代能源;②传感器;③污水处理新工艺;④利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集。 51 替代能源 生物质制氢被认为是未来氢燃料电池的原料来源,而ＭＦＣ与生物质制氢的共同特点是均以生物质作为原料,但在生物质制氢过程中,葡萄糖等生物质中还有相当部分的氢未被利用,而且氢气还只是从生物质获取能源的中间产品,而ＭＦＣ则可以直接将葡萄糖中的氢全部消耗并转化成Ｈ2Ｏ,生物质转化成能源的效率较高。正是由于ＭＦＣ能够直接将生物质转化成电能,因此Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ展望了用食物直接喂养机器人的可能性。 迄今为止,虽然已报道的ＭＦＣ中双池型电池的输出功率密度最大,但由于双池型ＭＦＣ的阴极为铁氰化钾溶液,需要连续曝气,操作复杂,因此,近几年直接利用空气作为阴极的单池型燃料电池令人关注。2001年,Ｐａｒｋ等首先报道了用掺Ｆｅ3 的石墨为阴极、掺Ｍｎ4 的石墨为阳极、陶瓷膜为质子交换膜、活性污泥接种的单池型ＭＦＣ的性能,该电池的输出功率密度达到788ｍＷ/ｍ2。自2003年起,Ｌｉｕ等[2]和Ｂｏｏｋｉ等[3]报道了以载铂碳布为阴极材料、碳纸为阳极材料的单池型ＭＦＣ的性能。通过调整电池结构和各种操作参数,使电池的输出功率密度达1330ｍＷ/ｍ2。 由以上结果可见,ＭＦＣ作为新型能源开发的主要问题在于需进一步提高电池的输出功率密度及电极电子的传递效率。相信经过深入研究,ＭＦＣ为一些只需要较小电量就能运行的遥控装置提供能源是可能的。 52 微生物传感器的开发 ＢＯＤ5被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量,但由于传统的ＢＯＤ测定方法需要5天的时间,因此,出现了大量关于ＢＯＤ传感器的研究,其中以ＭＦＣ工作原理为基础的ＢＯＤ传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用ＭＦＣ工作原理开发新型ＢＯＤ传感器的关键在于:①电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系;②电池电流对污水浓度的响应速度较快;③有较好的重复性。 目前,正在研究的ＭＦＣ型传感器全部为有质子交换膜的双池型结构,电池的阴极多为溶氧的磷酸盐缓冲溶液,阳极为待测的水溶液。Ｋｉｍ等[26]在用自行设计的ＢＯＤ传感器分批测定溶液ＢＯＤ的浓度时发现,电池转移电荷与污水浓度之间呈明显的线性关系,相关系数达到099,标准偏差为3%～12%;电池在低浓度时响应时间少于30ｍｉｎ;连续测定ＢＯＤ质量浓度小于100ｍｇ/Ｌ的溶液时[27],电流与浓度呈线性关系,3次电流测定的差值小于10%;且当ＭＦＣ的阳极处于“饥饿”状态后喂养新鲜污水,ＭＦＣ的电流能够恢复;当电池中的污水浓度发生变化时,电流需要滞后1ｈ达到稳定。Ｍｏｏｎ等通过改变污水流动速度和电池阳极容积的方式,使电流响应时间缩短到了5ｍｉｎ。 考虑到实际污水中存在硝酸盐和硫酸盐等具有高氧化还原电势的电子受体,它们会降低ＭＦＣ的电流响应信号,Ｃｈａｎｇ等尝试在阳极池中加入叠氮化物和氰化物等呼吸抑制剂,达到了消除硝酸盐和硫酸盐影响的效果,结果显示,通过加入呼吸抑制剂,使ＭＦＣ型ＢＯＤ传感器可用于准确测量含氧和含硝酸盐的贫营养地表水中的ＢＯＤ含量。 |
