微生物燃料电池应用现状及发展前景

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1、佚名【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs)的基本结构及运行原理，介紹了微生物燃料电池(MFCs)的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。【关键字】微生物燃料电池，生物传感器，水处理AbstractThemicrobialfuelcell(MFCs)ofthebasicstructureandoperationprinciple,describesmicrobialfuelcell(MFCs)technologydevelopmentandresearch,andpointsoutthefutureoffuelcellthedevelopment

2、trendof>Keywordsmicrobialfuelcells,biologicalsensors,watertreatment1引言微生物燃料电池(MicrobialFuelCells,MFCs),是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物屮的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。毋庸置錠，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

3、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2微生物燃料电池的工作原理阁1是典型的双室结构MFcs工作原理示意阁，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冇机物，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11+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

4、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。外电'喊化产物hJi述吩产物唤缄化M阴极l==HHImmll===lll=lmllllll=llllll图1微生物燃料电池工作原理示意图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。阳极反应：C6H、2O(、+6H2O^CO2+24H++24e~阴极反应：6(?2+24H++24e-^2H2O总反应：C6"I2O6+6O246CO2+6H2O3微生物燃料电池的应用现状迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学

5、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。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MFCs的内阻，这时得到的最大功率密度有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题。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、

6、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A的物质传递有影响。当前针对微生物燃料电池主要研究其产电性能，同吋由于其特殊的结构与原理，MFCs还有许多潜在应用领域，主要包括废水处理、电助产氢、传感器三方面。3.1废水处理近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，在废水降解的同时产电。表3.1列举丫目前MFCs用于废水处理的现状。微生物燃料电池用于污水处理的例子污水种类反应器构型浓度/mg*接种体轻大功率/W.m-2©W厂废水1501离浓度觖进废水0.669巧克力加工废水双室1459活性污泥1.5巾政污水双

7、室600厌氡污泥0.13马铃»加工废水双室1000厌氧污泥一淀粉加T.废水4852淀粉加丄庞水0.239木算厂废水1600()活性污泥1.8啤酒生产废水準室627厌氣混合污泥0.264食物加I废水双室!672厌极污泥0.12此外，微生物燃料电池处理废水兵有诸多优点，还可与传统厌氧、好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。3.2电助产氢微生物燃料电池由于输出效率低，难以直接应用，而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式。其工作原理为：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。微生

8、物燃料电池