微生物电池技术

摘 要：微生物燃料电池具有原料广泛、反应条件温和、清洁高效等优点.简述了MFC的原理、分类,对微生物燃料电池（MFC）产电影响因素进行了阐述,分析了MFC技术的用途,最后归纳了MFC技术的研究发展方向.

关 键 词：微生物燃料电池产电新能源

中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料电池（Microbialfuelcells,MFCs）是一种新兴的高效的生物质能利用方式,它利用细菌分解生物质产生生物电能,具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点.因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一.

1微生物燃料电池的工作原理

图1是典型的双室结构MFCs工作原理示意图,系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成.阳极室中的产电菌催化氧化有机物,使其直接生成质子、电子和代谢产物,氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面.根据微生物的性质,电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质.阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极,而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极,电子在流过外电阻时输出电能.电子在阴极催化剂作用下,与阴极室中的电子接受体结合,并发生还原反应[1].

下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理,反应中氧气为电子受体,反应完成后葡萄糖完全被氧化[2].

2微生物燃料电池的分类

目前为止,MFCs的分类方法没有统一标准,通常有以下几种分类方法.

（1）基于产电原理进行分类,包括氢MFCs、光能自养MFCs和化能异养MFCs.氢MFCs的原理是利用微生物制氢,同时利用涂有化学催化剂的电极氧化氢气发电；光能自养MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接将光能转化为电能；而化能异养MFCs则是在厌氧或兼性微生物的作用下,从有机底物中提取电子并转移到电极上,实现电力输出[3].

（2）基于电池构型进行分类,包括单极室微生物燃料电池、双极室微生物燃料电池和多级串联MFCs.图1中的微生物燃料电池即为双极室结构,电池通过质子交换膜分为阳极室和阴极室两个极室.单极室MFCs则以空气阴极MFCs为主,将阴极与质子交换膜合为一体,甚至是去除质子交换膜.为了提高产电量,将多个独立的燃料电池串联,就形成了多级串联MFCs[4].

（3）基于电子转移方式分类,包括直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池两类.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.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[5].

（4）基于电子从细菌到电极转移方式进行分类,可分为有介体MFCs和无介体MFCs两类.电子需要借助外加的电子相似度检测体才能从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极,这类为有介体MFCs.某些微生物可在无电子传递中间体存在的条件下,吸附并生长在电极的表面,并将电子直接传递给电极,这称为无介体MFCs.

3电池性能的制约因素[6～7]

迄今为止,MFCs的性能远低于理想状态.制约MFC性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等.

动力学制约的主要表现为活化电势较高,致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低,难以获得较高的输出功率[8].内电阻具有提高电池的输出功率的作用,主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力.缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻.不用质子交换膜也可以大大降低MFC的内阻,这时得到的最大功率密度为有质子交换膜的5倍,但必须注意氧气扩散的问题[9].另一个重要制约因素为电子传递过程中的反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率.最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流.

另外,微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响[10].

4微生物燃料电池的应用

（1）废水处理与环境污染治理.

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用于废水处理是其最有前景的一个应用方向,也是当前微生物燃料电池的研究热点之一.同时,在生物脱氮、脱硫、重金属污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽视的作用.

（2）海水淡化.

普通的海水淡化处理技术条件苛刻,需要高压、高效能的转化膜,有的还要消耗大量的电能,故不能大规模的处理,并且成本较高,难以有效地解决海水淡化问题.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.利用MFC淡化海水也将成为具有发展潜力的研究方向[11].

（3）便携式电源.

微生物燃料电池能够利用环境中自然产生的燃料和氧化剂变为电能,用于替代常规能源.可以为水下无人驾驶运输工具、环境监测设备的长期自主操作提供电源.

（4）植物MFCs.

通过光合作用,植根在阳极室的绿色植物将二氧化碳转换为碳水化合物,在根部形成根瘤沉积物；植物根系中的根瘤沉积物被具有电化学活性的微生物转化为二氧化碳,同时产生电子.这种植物MFCs能够原位将太阳能直接转换为电能[12].

（5）人造器官的动力源[13].

微生物燃料电池可以利用人体内的葡萄糖和氧气产生能量.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.5微生物燃料电池技术研究展望

MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破.但是,由于其功率偏低,该技术还没有实现真正的大规模实际应用.基于其产电性能的制约因素,今后的研究方向主要可归纳为以下几点.

（1）深入研究并完善MFCs的产电理论.MFCs产电理论研究处于起步阶段,电池输出功率较低,严重制约了MFCs的实际应用.MFCs中产电微生物的生长代谢过程,产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点[14].

（2）筛选与培育高活性微生物.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.今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生.

（3）优化反应器的结构.研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池.利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能.选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极,选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极[15].

（4）改进或替代质子交换膜.质子交换膜的质量与性质直接关系到微生物燃料电池的工作效率及产电能力.另外,目前所用的质子交换膜成本过高,不利于实现工业化.今后应设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的生物电池[16].

6结语

MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起,并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力.随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步,MFCs必将得到不断地推广和应用[17].

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