微生物燃料電池研究中有哪些問題尚未解決

熱心網(wǎng)友：主要問題是成本和功率密度。1 引言 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一種以微生物為陽極催化劑，將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。1911年，英國植物學(xué)家Potter便發(fā)現(xiàn)細(xì)菌培養(yǎng)液可產(chǎn)生電流，這是關(guān)于微生物燃料電池的最早報(bào)道。近年來，MFC技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，引起了世界各國研究者的高度關(guān)注。毋庸置疑，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是一種新興的高效的生物質(zhì)能利用方式，它利用細(xì)菌分解生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能，具有無污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此MFCs逐漸成為現(xiàn)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)之一。2 微生物燃料電池的工作原理圖1是典型的雙室結(jié)構(gòu)MFcs工作原理示意圖，系統(tǒng)主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質(zhì)子交換膜構(gòu)成。陽極室中的產(chǎn)電菌催化氧化有機(jī)物，使其直接生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，氧化過程中產(chǎn)生的電子通過載體傳送到電極表面。根據(jù)微生物的性質(zhì)，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關(guān)的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質(zhì)。陽極產(chǎn)生的H+透過質(zhì)子交換膜擴(kuò)散到陰極，而陽極產(chǎn)生的電子流經(jīng)外電路循環(huán)到達(dá)電池的陰極．電子在流過外電阻時(shí)輸出電能。電子在陰極催化劑作用下。與陰極室中的電子接受體結(jié)合，并發(fā)生還原反應(yīng)。圖1 微生物燃料電池工作原理示意圖下面以典型的葡萄糖為底物的反應(yīng)為例說明MFCs的工作原理，反應(yīng)中氧氣為電子受體，反應(yīng)完成后葡萄糖完全被氧化。陽極反應(yīng)：?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622陰極反應(yīng)：?_6O2?24H?24e?12H2O總反應(yīng)：C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O3 微生物燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀迄今為止，MFCs的性能遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)。制約MFCs性能的因素包括動(dòng)力學(xué)因素、內(nèi)阻因素和傳遞因素等。動(dòng)力學(xué)制約的主要表現(xiàn)為活化電勢(shì)較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應(yīng)速率較低，難以獲得較高的輸出功率。內(nèi)電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質(zhì)子交換膜的阻力?？s短電極間距、增加離子濃度均可降低內(nèi)阻。不用質(zhì)子交換膜也可以大大降低MFCs的內(nèi)阻，這時(shí)得到的最大功率密度有質(zhì)子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴(kuò)散的問題。另一個(gè)重要制約因素為電子傳遞過程中的反應(yīng)物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。另外，微生物對(duì)底物的親和力、微生物的最大生長(zhǎng)率、生物量負(fù)荷、反應(yīng)器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對(duì)微生物燃料電池內(nèi)的物質(zhì)傳遞有影響。當(dāng)前針對(duì)微生物燃料電池主要研究其產(chǎn)電性能，同時(shí)由于其特殊的結(jié)構(gòu)與原理，MFCs還有許多潛在應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括廢水處理、電助產(chǎn)氫、傳感器三方面。3.1 廢水處理近年來，微生物燃料電池被嘗試用來處理富含生物可降解有機(jī)物的廢水，在廢水降解的同時(shí)產(chǎn)電。表3.1列舉了目前MFCs用于廢水處理的現(xiàn)狀。微生物燃料電池用于污水處理的例子此外，微生物燃料電池處理廢水具有諸多優(yōu)點(diǎn)，還可與傳統(tǒng)厭氧、好氧工藝相結(jié)合，達(dá)到更好的處理效果。3.2 電助產(chǎn)氫微生物燃料電池由于輸出效率低，難以直接應(yīng)用，而MFC電助產(chǎn)氫技術(shù)是較有前途的一種方式。其工作原理為：無氧條件下，對(duì)雙室MFC陰極施加一個(gè)遠(yuǎn)小于水分解電壓的小電壓，可促進(jìn)轉(zhuǎn)移到陰極的電子和質(zhì)子結(jié)合生成氫氣，達(dá)到利用MFC系統(tǒng)產(chǎn)氫的目的。微生物燃料電池電助產(chǎn)氫反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是陰極省略了MFC常用的電子受體——?dú)錃?，可避免因氧氣通過質(zhì)子交換膜向陽極擴(kuò)散而影響反應(yīng)器運(yùn)行；同時(shí)該工藝產(chǎn)生的氫氣純度較高，可積累、儲(chǔ)存及運(yùn)輸，推動(dòng)了MFC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。3.3 生物傳感器根據(jù)MFCs的工作原理，在一定濃度范圍內(nèi)，MFCs的電流(或電壓)輸出與陽極的基質(zhì)濃度有線性關(guān)系，因此可開發(fā)基于MFCs的傳感器，最典型的是BOD5快速檢測(cè)。Lorenzo等以人工廢水為燃料構(gòu)建型BOD5傳感器，該傳感器輸出功率與BOD5濃度有良好的線性關(guān)系，且有非常高的重復(fù)性和穩(wěn)定性，可連續(xù)運(yùn)行7個(gè)月。除了作為BOD5傳感器外，有研究者嘗試?yán)肕FC型的傳感器通過對(duì)UAFB中發(fā)酵液pH和沼氣流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)厭氧硝化過程動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)。還有研究者通過在MFCs的質(zhì)子交換膜兩側(cè)添加2片微硅板作電流收集器，由電流變化來反映基質(zhì)中的有毒化合物。這些研究都有助于擴(kuò)大MFCs技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。4 微生物燃料電池技術(shù)發(fā)展前景MFCs技術(shù)正在不斷成長(zhǎng)并且已經(jīng)在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)真正的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用?；谄洚a(chǎn)電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點(diǎn)。(1)深入研究并完善MFCs的產(chǎn)電理論。MFCs產(chǎn)電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴(yán)重制約了MFCs的實(shí)際應(yīng)用。MFCs中產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)代謝過程，產(chǎn)電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質(zhì)是今后的研究重點(diǎn)。(2)篩選與培育高活性微生物。目前大多數(shù)微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，需要尋找自身可產(chǎn)生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結(jié)合電子傳遞化合物質(zhì)的微生物。今后的研究應(yīng)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生。(3)優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；5建議；微生物燃料電池潛在的優(yōu)點(diǎn)使研究者對(duì)其發(fā)展前景十分；(1)加強(qiáng)MFCs的機(jī)理研究，通過分析陽極微生物；(2)通過優(yōu)化MFCs的結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行方式等，；MFCs作為一種可再生的清潔能源技術(shù)正在迅速興起；力，同時(shí)也擴(kuò)大了用來滿足我們對(duì)能源需求的燃料的多；7參考文獻(xiàn)；[1]姜秀華.微生物電池技術(shù)研究[D].科技資訊；[2]張靜，張寶(3)優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。研究與開發(fā)單室結(jié)構(gòu)和多級(jí)串聯(lián)微生物燃料電池，利用微生物固定化技術(shù)、貴金屬修飾技術(shù)等改善電極的結(jié)構(gòu)和性能。選擇吸附性能好、導(dǎo)電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質(zhì)子的材料作為陰極。5 建議微生物燃料電池潛在的優(yōu)點(diǎn)使研究者對(duì)其發(fā)展前景十分看好，但由于輸出功率較低，限制了在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。因此，建議研究者主要從以下三方面對(duì)MFCs做進(jìn)一步研究：(1)加強(qiáng)MFCs的機(jī)理研究，通過分析陽極微生物確定電子產(chǎn)生和傳遞機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)高效產(chǎn)電微生物的篩選和改造。(2)通過優(yōu)化MFCs的結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行方式等，提高電子傳質(zhì)速率，降低電壓損失，提高M(jìn)FCs產(chǎn)電性能。嘗試MFCs的工程放大，實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。 6 結(jié)語MFCs作為一種可再生的清潔能源技術(shù)正在迅速興起，并已逐步顯現(xiàn)出它獨(dú)有的社會(huì)價(jià)值和市場(chǎng)潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學(xué)的不斷進(jìn)步，MFCs必將得到不斷地推廣和應(yīng)用。與微生物燃料電池相比，燃料電池目前使用存在著成本仍偏高, 利用率不太高的缺點(diǎn)，所以微生物電池有著廣闊的應(yīng)用前景。與現(xiàn)有的其它利用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢(shì)：首先，它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率；其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環(huán)境條件下能夠有效運(yùn)作；第三，微生物燃料電池不需要進(jìn)行廢氣處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因?yàn)槿羰菃问椅⑸锶剂想姵貎H需通風(fēng)就可以被動(dòng)的補(bǔ)充陰極氣體；第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，微生物燃料電池具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時(shí)也擴(kuò)大了用來滿足我們對(duì)能源需求的燃料的多樣性。研究微生物電池是一件造福人類的偉大舉措，我們應(yīng)該投入更多的人力和物力。

熱心網(wǎng)友：微生物燃料電池的研究早在二十世紀(jì)七十年代就有開展，但是直到最近兩年，隨著其功率的提高才成為研究熱點(diǎn)。其基本原理與與燃料電池相似，但可以利用更復(fù)雜的燃料（如葡萄糖，蔗糖，乙酸鹽等）來產(chǎn)生電流，因此可以在處理污水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力輸出。中國微生物燃料電池研究主要單位：華南環(huán)境科學(xué)研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、環(huán)境保護(hù)部華南督查中心、清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系、中國科學(xué)院過程工程研究所、天津大學(xué)化學(xué)工程研究所、上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)院、北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院、上海同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系、哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院。華南環(huán)境科學(xué)研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、環(huán)境保護(hù)部華南督查中心研究主要：在污水處理方面的應(yīng)用。清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系研究主要：“三合一”微生物燃料電池的產(chǎn)電特性研究中國科學(xué)院過程工程研究所研究主要：研究geobactermetallireducens異化還原鐵氧化物。天津大學(xué)化學(xué)工程研究所研究主要：生物燃料電池技術(shù)研究。上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)院研究主要：電子傳遞媒介體在生物燃料電池中的作用以及如何提高電池性能的對(duì)策。上海同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系研究主要：生物燃料電池微生物燃料電池酶生物燃料電池北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院研究主要：利用小球藻構(gòu)建微生物燃料電池哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院研究主要：廢水同生物處理與生物燃料電池發(fā)電研究。