微生物燃料電池及其應用研究進展

1、微生物燃料電池及其應用研究進展詹亞力張佩佩閆光緒王嘉麟郭紹輝(中國石油大學(北京)重質(zhì)油國家重點實驗室北京102249)摘要摘要:簡單敘述了微生物燃料電池(ＭＦＣ)的基本結(jié)構(gòu)及運行原理從ＭＦＣ的陽極微生物、陰極結(jié)構(gòu)等方面介紹了ＭＦＣ的發(fā)展現(xiàn)狀和研究重點分析了ＭＦＣ在替代能源、生物傳感器和開發(fā)新型水處理工藝等方面的應用前景指出進一步的研究重點應放在改善電極電化學性能、提高電池輸出功率密度和降低電池成本等方面。關(guān)鍵詞鍵詞:燃料電池微生物新能

2、源生物傳感器水處理中圖分類號:ＴＭ91145文獻標識碼:Ａ文章編號:02534320(2007)01001305微生物燃料電池(ＭＦＣ)是一種以微生物為陽極催化劑將化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。利用ＭＦＣ不僅可以直接將水中或者污泥中的有機物降解而且同時可以將有機物在微生物代謝過程中產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化成電流從而獲得電能。因此無論是利用ＭＦＣ輸出電能的特點進行新型能源的開發(fā)還是利用ＭＦＣ電流與水中有機物之間的定量關(guān)系進行新型污水水質(zhì)檢測方法的研究

3、以及利用ＭＦＣ的特殊環(huán)境對特殊性能的微生物進行馴化對ＭＦＣ的研究均具有重要的理論意義和應用價值。本文將從電池基本結(jié)構(gòu)、微生物馴化和應用研究等方面對微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀和應用前景進行綜述及分析。1基本結(jié)構(gòu)和運行原理基本結(jié)構(gòu)和運行原理與其他類型燃料電池類似微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)為陰極池加陽極池。根據(jù)陰極池結(jié)構(gòu)的不同ＭＦＣ可分為單池型和雙池型2類根據(jù)電池中是否使用質(zhì)子交換膜又可分為有膜型和無膜型2類。其中單池型ＭＦＣ由于其陰極氧化劑直接

4、為空氣因而無需盛裝溶液的容器[13]而無膜型燃料電池則是利用陰極材料具有部分防空氣滲透的作用而省略了質(zhì)子交換膜[24]。ＭＦＣ的陽極材料通常選用導電性能較好的石墨、碳布和碳紙等材料其中為提高電極與微生物之間的傳遞效率有些材料經(jīng)過了改性[5]。陰極材料大多使用載鉑碳材料也有使用摻Ｆｅ3的石墨[1]和沉積了氧化錳的多孔石墨[6]作為陰極材料的報道。ＭＦＣ基本工作原理為[7]:①在陽極池水溶液中或污泥中的營養(yǎng)物在微生物作用下直接生成質(zhì)子、電果

5、顯示使用不同營養(yǎng)鹽喂養(yǎng)的ＭＦＣ中的優(yōu)勢微生物種屬各不相同。使用河水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中Ｂｅｔａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ占主導地位(462%)而使用人工污水培養(yǎng)的ＭＦＣ中Ａｌｐｈａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ占主導地位(644%)而且在使用河水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中還獲得了未培養(yǎng)菌[16]從使用淀粉加工廢水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中分離出屬于Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ子群的厭氧菌ＥＧ3[17]在使用含醋酸的人工廢水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中分離出屬于Ａｅｒｏｍｏｎａｓｈｙｄｒ

6、ｏｐｈｉｌａ的ＰＡ3[18]使用海底污泥培養(yǎng)時陽極表面Ｇｅｏｂａｃｔｅｒａｃｅａｅ富集了100倍用河口污泥馴化時在陽極表面類似于微生物Ｄｅｓｕｌｆｏｂｕｌｂａｃｅａｅ種屬的基因系列占了絕大多數(shù)而由淡水污泥馴化時陽極表面大多數(shù)基因系列則與鐵還原菌Ｇｅｏｔｈｒｉｘｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ密切相關(guān)[13]。23微生物代謝和電子傳遞過程微生物代謝和電子傳遞過程231微生物代謝過程微生物代謝過程Ｒａｂａｅｙ等[7]認為陽極電勢的高低決定了微生物代謝的

7、途徑:當陽極電勢較高時微生物利用呼吸鏈進行代謝電子和質(zhì)子通過ＮＡＤＨ脫氫酶、輔酶Ｑ和色素進行傳遞當陽極電勢下降且溶液中沒有硝酸鹽、硫酸鹽和其他電子受體時溶液中主要發(fā)生的是發(fā)酵過程。而像醋酸、丁酸這樣的發(fā)酵產(chǎn)物則可以在更低的陽極電勢下由Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ種群微生物代謝將電子傳遞到電極。而陽極電勢的高低可以通過調(diào)節(jié)外電阻控制溶液中氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽和其他電子受體的濃度來控制。232電子傳遞過程電子傳遞過程電子從微生物到電極的傳遞主要有3種

8、方式:由細胞膜直接傳遞、通過中間體傳遞及以上2種傳遞方式同時存在的傳遞[19]。(1)由細胞膜直接傳遞電子對于無需外源中間體的直接ＭＦＣ電子從微生物細胞膜直接傳遞到電極。在電子傳遞過程中作為呼吸鏈重要組成部分的、位于細胞膜上的色素是實際的電子載體[11]。因此對于此類ＭＦＣ要提高電池輸出功率關(guān)鍵在于提高細胞膜與電極材料的接觸效率。目前被認為由細胞膜直接傳遞電子的微生物有Ｇｅｏｂａｃｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ、Ａｅｒｏｍｏｎａｓ