1、日期：2017.12.20汇报人：xxx微生物燃料电池（MFC）217 MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。SMFC：沉积物微生物燃料电池MEC(Microbial Electrolysis Cell):生物电解池PEM(Proton Exchange Membrane):质子交换膜概念1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录 CONTENTSL
2、OGOLOGO研究背景 目前目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续发展的两大根本性问题。发展的两大根本性问题。化石燃料的的使用大气污染：酸雨，光化学烟雾，温室效应等土壤污染：重金属沉积等水环境污染：含矿废水 因此因此，寻求可再生的新能源已引起广泛的关注寻求可再生的新能源已引起广泛的关注，微生物燃料电池是一种可以实现微生物燃料电池是一种可以实现能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下微生物微生物燃料燃料电池电池作为一种可利用有机废作为一种可利用有机废物产能的装置
3、正走向世界能源的舞台物产能的装置正走向世界能源的舞台。LOGOLOGO1910年20 世纪 80 年代末期1991 年2002 年后开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例，然而，直到最近几年用范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污处理生活污水得到的电池功率才有所增强；水得到的电池功率才有所增强；采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；英国植物学家马克英国植物学家马克比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电
4、池研培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研究的序幕；究的序幕；发展现状LOGOLOGO1910年20 世纪 80 年代末期1991 年2002 年后发展现状人们发现一些细菌可以直接将电人们发现一些细菌可以直接将电子传递给固体导体，如阳极，由子传递给固体导体，如阳极，由此提出了无需外加电子传递介体此提出了无需外加电子传递介体的微生物燃料电池，使微生物燃的微生物燃料电池，使微生物燃料电池的研究又进一步有了突飞料电池的研究又进一步有了突飞猛进地发展。猛进地发展。近几年近几年, MFC的研究已经成为治的研究已经成为治理和消除环境污染源理和消除环境污染源,开发新型开发新型能源研究工作者的
5、关注热点能源研究工作者的关注热点。1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录 CONTENTSLOGOLOGOMFC的基本原理PEM负载负载阳极室阳极室阴极室阴极室O2CO2H+e-e-e-H2Oe-H+有机物有机物微生物微生物图图1.微生物燃料电池工作原理Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外
6、电路到达阴极，从而形成回路极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：示：阳极反应：阳极反应： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+阴极反应：阴极反应： 4e-O24H+ 2H2OLOGOLOGOMFC的基本原理LOGOLOGO微生物燃料电池的分类LOGOLOGO异养光能异养沉积物型异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌光能异养微生物燃
7、料电池是指光能异养菌( (如藻青菌如藻青菌) )利用光能利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差产生电能。产生电能。微生物燃料电池的分类根据营养类型根据营养类型LOGOLOGO微生物燃料电池的分类依据微生物燃料电池的外型分类依据微生物燃料电池的外型分类双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件( (如极板间距，膜材料，如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等阴阳极板材料等) )。单室微生物
8、燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低，阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低，只有只有3030。LOGOLOGO介体微生物燃料电池微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池中加入适当的介体，会显著改善电子的转移速率。介体应该具备的特性 介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分； 其氧化还原式量电位要与被催化体系的电
9、位匹配； 其氧化态不干扰其它的代谢过程； 其还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞； 其氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并且在细胞和电极表面均不发生吸附； 其在电极上的氧化还原反应速率非常快、且有很好的可逆性。微生物燃料电池的分类LOGOLOGO无介体微生物燃料电池指微生物燃料电池中的细菌能分泌细胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由细胞膜内转移到电极上。可使用微生物目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌(Shewaulella putrefaciens)、地杆菌(Geobacteraceae），酸梭菌(Clostridium butyricum)及(Rhodoferax Ferrireducens)、粪产碱
10、菌(Alcaligenesfaecalis)，鹑鸡肠球菌(Enterococcusgallinamm)和铜绿假单胞菌(PseudomonaSaemginosa)等。微生物燃料电池的分类LOGOLOGO微生物燃料电池的组成LOGOLOGO微生物燃料电池的组成组成成分组成成分原料原料标注标注阳极阳极石墨、碳纸、碳布、铂、石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳铂黑、网状玻碳必需必需阴极阴极石墨、碳纸、碳布、铂、石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳铂黑、网状玻碳必需必需阳极室阳极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃玻璃必需必需阴极室阴极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃玻璃非必需非
11、必需质子交换膜质子交换膜质子交换膜、盐桥、玻璃质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸珠、玻璃纤维和碳纸必需必需电极催化剂电极催化剂铂、铂黑、聚苯胺、固定铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体在阳极上的电子介体非必需非必需LOGOLOGO微生物燃料电池的组成阳极材料阳极材料一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。LOGOLOGO微生物燃料电池的组成微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图:A.直接接触;B.纳
12、米导线;C.氧化还原介体;D.还原态初级代谢产物原位氧化阳极研究进展阳极研究进展阳极产电机制阳极产电机制LOGOLOGO其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。氧化态中间体 还原态中间体 排除体外 电极表面被氧化细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线（nanowire）。微生物降解有机物产生初级代谢产物，初级代谢产物在催化剂的作用下发生原位氧化反应，将产生的电子传递至阳极。A细胞膜直接传递电子B纳米导线C由中间体传递电子D还原态初级代谢产物原位氧化微生物燃料电池的组成LOGOLOGO微
13、生物燃料电池的组成阳极材料的要求是：高导电，耐腐蚀，高比表面积（区每卷），孔隙率高，非阳极材料的要求是：高导电，耐腐蚀，高比表面积（区每卷），孔隙率高，非污染（例如，细菌不会填满它），廉价，和容易和规模较大的尺寸污染（例如，细菌不会填满它），廉价，和容易和规模较大的尺寸。 Qiao报道报道了用碳纳米管了用碳纳米管/ 聚苯胺聚苯胺(CNT/ PANI)作为作为MFC 阳极。阳极。 Kargi 等用等用铜和铜铜和铜- 金导线来代替石墨电极作为金导线来代替石墨电极作为MFC 的阳极的阳极,结果发现结果发现,随随着阳极表面积的增大着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。产生的电流和功率也随之增
14、大。 Rosenbaum研究研究了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效获得了不错的效果果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。1 .加入其他催化剂加入其他催化剂LOGOLOGO微生物燃料电池的组成 碳碳布进行了氨基修饰后，由于氨基基团的存在，材料本体上的表面电布进行了氨基修饰后，由于氨基基团的存在，材料本体上的表面电荷得到了显著荷得到了显著增加，增加，微生物与电极表面间的静电作用得到了显著增强，微生物与电极表面间的静电作用得到了显著增强，同时氨基与微生物表面的羧基形成肽
15、键，增强它们之间的相互作用。同时氨基与微生物表面的羧基形成肽键，增强它们之间的相互作用。 电化学氧化修饰法主要是通过在酸性溶液中的电解，增加电极表面的电化学氧化修饰法主要是通过在酸性溶液中的电解，增加电极表面的羧基基团。虽然微生物羧基基团。虽然微生物表面净表面净电荷为负电，电极表面羧基的增加会增电荷为负电，电极表面羧基的增加会增大静电排斥力，但是由于微生物表面存在着大量细胞色素，其上含有大静电排斥力，但是由于微生物表面存在着大量细胞色素，其上含有许多活性基团，羧基可以与细胞色素上的活性基团形成强烈的氢键等许多活性基团，羧基可以与细胞色素上的活性基团形成强烈的氢键等化学键作用，增强了微生物与电极
16、之间的化学相互作用。化学键作用，增强了微生物与电极之间的化学相互作用。2.对材料的改性对材料的改性LOGOLOGO微生物燃料电池的组成阴极材料阴极材料阴极是制约阴极是制约MFC产电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，产电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是氧气的还原速度较慢，直接影响了但是氧气的还原速度较慢，直接影响了MFC的产电性能。的产电性能。MFC阴极阴极非生物阴极非生物阴极生物阴极生物阴极好氧型好氧型厌氧型厌氧型根据最终电子受体不同生物阴极可显著降低生物阴极可显著降低MFC成本，避免催化剂中毒，提高稳定性。成本，避免催化剂中毒，提高稳定性。好氧型生物阴极空气
17、中的氧气好氧型生物阴极空气中的氧气是常用是常用的电子受体；厌氧型生物阴的电子受体；厌氧型生物阴极常以极常以硝酸盐、硫酸盐、尿素和硝酸盐、硫酸盐、尿素和CO2等为电子受体。等为电子受体。非生物阴极常用的催化剂主要有非生物阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素过渡金属元素等。等。Pt是最广泛的是最广泛的高效催化剂，能使高效催化剂，能使MFC的产电性能的产电性能提高近提高近4倍。但成本高、稳定性差、倍。但成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。也容易造成催化剂污染。LOGOLOGO微生物燃料电池的组成 在在双室双室MFCs 中中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开的作用不仅体现在将阳极
18、室和阴极室分隔开和传递质子和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。 在在单室单室MFCs 中中,一般采用一般采用“二合一二合一”电极电极,即将即将PEM 热压在阴极内热压在阴极内侧。侧。质子交换膜质子交换膜(PEM) PEM 对电池产电性能影响也对电池产电性能影响也很大很大:LOGOLOGO微生物燃料电池的组成产电微生物及其群落产电微生物及其群落无介体微生物是无介体微生物是MFC 研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了通过
19、自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出。输出。 纳米纳米导线的发现，不仅给微生物燃料电池在提高产电效率方面带来了希导线的发现，不仅给微生物燃料电池在提高产电效率方面带来了希望、设计和制造廉价高效的生物阳极，还为环境污染修复、细胞生物信息学以望、设计和制造廉价高效的生物阳极，还为环境污染修复、细胞生物信息学以及纳米生物电子学方面提供了潜在的应用前景，因此，生物纳米导线的人工制及纳米生物电子学方面提供了潜在的应用前景，因此，生物纳米导
20、线的人工制备方法是今后研究的主题之一。备方法是今后研究的主题之一。LOGOLOGO微生物燃料电池的组成MFCMFC实物组图实物组图 电化学工作站电化学工作站 数据采集系统数据采集系统恒温培养箱恒温培养箱 无菌操作台无菌操作台 厌氧厌氧工作站工作站1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录 CONTENTSLOGOLOGO微生物燃料电池的应用优点：优点： 在微生物的催化下，生物质能直接转化为电能，理论转化效率高在微生物的催化下，生物质能直接转化为电能，理论转化效率高; 生物质廉价且来源广泛，无需特殊的预处理过程生物质廉价且来源广泛，无
21、需特殊的预处理过程; 使用微生物取代贵金属催化剂降低了燃料电池的基础投资，使建造使用微生物取代贵金属催化剂降低了燃料电池的基础投资，使建造廉价的大规模廉价的大规模MFC成为可能成为可能; 常温常压常温常压pH 中性条件下运行，生物相容性好中性条件下运行，生物相容性好; 产物无毒无害，是碳中性的绿色产能技术产物无毒无害，是碳中性的绿色产能技术。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用 产电功率密度低； 对于细菌本身的呼吸方式和电子传递到电极机理研究不够； 使用价格不菲的碳纸、载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电池的造价成本高， MFC 多以间歇操作为主，且反应器容积过小； 研究的阳极底物一般仅为有机养
22、料和模拟废水的混合物，对高有机物浓度废水的MFC 技术研究较少，针对废水处理的MFC 基础研究较少。 采用空气阴极成功构建微生物燃料电池，并将其用于生活污水的处理，结果发现化学需氧量的去除率可达 80； 微生物燃料电池处理了含不同底物的污水，该研究可以连续处理水，并在此过程中持续产生电流。废水处理废水处理LOGOLOGO微生物燃料电池的应用 能否把微生物控制在一定范围内； 现在起搏器主要使用锂-碘电池，寿命是八九年；而生物燃料电池的寿命不可控制； 微生物的耐受能力。 开发出了一种新型微生物燃料电池并将其植入到人体内，作为微型心脏起搏器。 作为高空、深海、偏远地区等特殊区域的电源，在深海底部为海
23、底需要实施监控的仪器提供电能。特殊环境中的电源特殊环境中的电源LOGOLOGO微生物燃料电池的应用产产氢（氢（MEC）生物燃料电池生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体常用的电子受体氧氧气气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际技术的实际应用。应用。其其工作原理：无氧条件下，对双室工作原理：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电
24、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，达到利电子和质子结合生成氢气，达到利用用MFC系统产氢的目的。系统产氢的目的。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用生物传感器生物传感器生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置，包生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置，包括生物识别元素和信号传输放大元素。由于微生物燃料电池的括生物识别元素和信号传输放大元素。由于微生物燃料电池的电流（电压）或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关电流（电压）或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系，因此微生物燃料电池能用于某些底物
25、含量的测定，如有机系，因此微生物燃料电池能用于某些底物含量的测定，如有机碳、废水碳、废水 BOD以及有毒物质等，其中用于废水中以及有毒物质等，其中用于废水中 BOD 测定的测定的研究最为成熟，已有相关报道。研究最为成熟，已有相关报道。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用MFC技术资源化利用剩余污泥技术资源化利用剩余污泥剩余污泥的处理处置一直以来都难以达到满意的效果，已经成为制约污水剩余污泥的处理处置一直以来都难以达到满意的效果，已经成为制约污水处理事业发展的瓶颈问题，其处置形势已经十分严峻，因此，寻求经济有效处理事业发展的瓶颈问题，其处置形势已经十分严峻，因此，寻求经济有效的减量化、稳定化以及
26、资源化污泥处理处置技术具有重要的现实意义。的减量化、稳定化以及资源化污泥处理处置技术具有重要的现实意义。以以MFC技术来处理剩余污泥成为污泥处理的又一新方向。此法不但可以技术来处理剩余污泥成为污泥处理的又一新方向。此法不但可以减少污泥处置费用，还可以使污泥减量化，又能将污泥中丰富的有机质能转减少污泥处置费用，还可以使污泥减量化，又能将污泥中丰富的有机质能转化为电能，从而实现污泥的资源化利用。化为电能，从而实现污泥的资源化利用。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用MFC资源化利用剩余污泥有两种形式：资源化利用剩余污泥有两种形式：直接利用：间接利用：微波预处理剩余污泥剩余污泥发酵产生的 VFA 作
27、为燃料剩余污泥可作为微生物燃料电池的燃料，处理污泥并同步发电即，微生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的，可产生一定的电压与输出功率密度（较低） 直接利用剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术，其电压和输出功率密度较直接利用剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术，其电压和输出功率密度较低。为了提高微生物燃料电池技术的产电性能，可对剩余污泥进行一定的预处理，低。为了提高微生物燃料电池技术的产电性能，可对剩余污泥进行一定的预处理，间接利用剩余污泥为微生物燃料电池的燃料。间接利用剩余污泥为微生物燃料电池的燃料。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用MFC在固体废物堆肥中的应用在固体废物堆肥中的应用 有有学
28、者在固体介质如土壤、底泥中应用学者在固体介质如土壤、底泥中应用 MFC 技术，发现植物生长过程中技术，发现植物生长过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高 7 倍。接下来倍。接下来介绍介绍 MFC 技术新的应用方向，在堆肥处理固体有机废物过程中构建技术新的应用方向，在堆肥处理固体有机废物过程中构建MFC，将堆肥中产生的生物能转变为电能。利用将堆肥中产生的生物能转变为电能。利用 MFC 可将堆肥中的废气和废液进行可将堆肥中的废气和废液进行二次生物处理，在减轻或消除毒害的同时产生易于利用的电能，具有重要的二次生物处理，在减轻
29、或消除毒害的同时产生易于利用的电能，具有重要的实际意义实际意义。 微生物燃料电池微生物燃料电池在有机废物的处理中具有无污染和产能的优势，在固体在有机废物的处理中具有无污染和产能的优势，在固体废物堆肥中的应用与溶液和废水中相比又体现出新的特点。废物堆肥中的应用与溶液和废水中相比又体现出新的特点。LOGOLOGO微生物燃料电池的应用 固体废物堆肥微生物燃料电池的特点固体废物堆肥微生物燃料电池的特点： 与废水作为底物的与废水作为底物的 MFC 相比，堆肥产电过程不需要频繁更换底物，为产相比，堆肥产电过程不需要频繁更换底物，为产电菌的富集和生长提供了更加稳定的外部环境电菌的富集和生长提供了更加稳定的外
30、部环境。 由于堆肥的物料有机质含量高，在长时间内可以提供持续稳定的电流输出由于堆肥的物料有机质含量高，在长时间内可以提供持续稳定的电流输出，具有较大的市场潜力具有较大的市场潜力。 相对于废水需要外加热量来保持适宜的温度，固体废物堆肥可以通过自身相对于废水需要外加热量来保持适宜的温度，固体废物堆肥可以通过自身产热来提高温度，不需要人工加热产热来提高温度，不需要人工加热。 质子质子从阳极区向阴极区的传递效率对从阳极区向阴极区的传递效率对MFC 的性能是非常重要的性能是非常重要的。的。1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4微生物燃料电池的问题与展望5基础研究案例分析目录 C
31、ONTENTSLOGOLOGO根据根据热力学理论计算，以乙酸盐为底物、氧气热力学理论计算，以乙酸盐为底物、氧气为电子受体的为电子受体的MFC 系统，最大理论电压值为系统，最大理论电压值为1.105V。目前，目前，MFC 能达到的开路电压值与传统燃料电池相能达到的开路电压值与传统燃料电池相近，但输出功率水平仍然较低，使得近，但输出功率水平仍然较低，使得MFC 的研究大的研究大多仍停留在实验室阶段，还不能得到大规模应用。多仍停留在实验室阶段，还不能得到大规模应用。具体影响因素影响电子传递速率的主要因素影响因素产电性能微生物燃料电池的问题与展望问题一问题一:产电性能低产电性能低LOGOLOGO具体影
32、响因素影响电子传递速率的主要因素影响因素产电性能微生物燃料电池的问题与展望MFC 的产电效果主的产电效果主要取决于电子的传递速要取决于电子的传递速率。率。微生物对底物的氧化；微生物对底物的氧化；电子从微生物到电极的电子从微生物到电极的传递；传递；外电路的负载电阻；外电路的负载电阻；向阴极提供质子的过程；向阴极提供质子的过程；氧气的供给和阴极的反氧气的供给和阴极的反应。应。产电菌种、反应器构型、电极材料、底物产电菌种、反应器构型、电极材料、底物类型等。类型等。问题一问题一:产电性能低产电性能低LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望 人们人们将将MFC 由实验室规模放大时，功率密度大规模降低。
33、由实验室规模放大时，功率密度大规模降低。考虑到实际应用，在构型设计、电极材料选择等方面还存在很多考虑到实际应用，在构型设计、电极材料选择等方面还存在很多问题，问题，MFC 的成本、功率输出以及底物利用效率，微生物燃料的成本、功率输出以及底物利用效率，微生物燃料电池的稳定性是制约该技术走向实用化的瓶颈问题。电池的稳定性是制约该技术走向实用化的瓶颈问题。问题二问题二:处于处于基础研究阶段，实现基础研究阶段，实现MFC的工程放大的工程放大困难困难LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望（1）电能）电能的输出很大程度上受到阴极反应的影响。低电量输出往的输出很大程度上受到阴极反应的影响。低电量输出往往
34、由于阴极微弱的氧气还原反应以及氧气通过质子交换膜扩散至阳极。往由于阴极微弱的氧气还原反应以及氧气通过质子交换膜扩散至阳极。特别是对于一些兼性厌氧菌而言，氧气扩散到阳极会严重影响电量的特别是对于一些兼性厌氧菌而言，氧气扩散到阳极会严重影响电量的产生，因为这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子产生，因为这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子受体。对于阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。受体。对于阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。基于以上问题的研究方向：基于以上问题的研究方向：LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望 （3）在）在电池的构造
35、方面，现有的微生物燃料电池一般有阴阳两个极室，中电池的构造方面，现有的微生物燃料电池一般有阴阳两个极室，中间由质子交换膜隔开。这种结构不利于电池的放大。单室设计的微生物燃料电间由质子交换膜隔开。这种结构不利于电池的放大。单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大，池将质子交换膜缠绕于阴极棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大，己用于大规模处理污水。己用于大规模处理污水。（2）目前）目前大多数微生物燃料电池由单一菌种构建。要达到普遍应用的目的，大多数微生物燃料电池由单一菌种构建。要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性
36、微生物。今后的研究将继续急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以有机废水致力于发现和选择这种高活性微生物。以有机废水(如淀粉厂出水如淀粉厂出水)为燃料建立微为燃料建立微生物燃料电池，试图分离所需菌种生物燃料电池，试图分离所需菌种。选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率；LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望 (4)质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端质子交换膜对于维持微生物燃料
37、电池电极两端pH值的平衡、电极反应的值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。理想的质子交换膜应具有将质子高效率传递到阴正常进行都起到重要的作用。理想的质子交换膜应具有将质子高效率传递到阴极；阻止燃料极；阻止燃料(底物底物)或电子受体或电子受体(氧气氧气)的迁移。但是，通常的情况是，质子交换的迁移。但是，通常的情况是，质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴阳极的膜微弱的质子传递能力改变了阴阳极的pH值，从而减弱了微生物活性和电子传值，从而减弱了微生物活性和电子传递能力，并且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。质子交换膜的好坏递能力，并且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。质子交换膜的
38、好坏和性质的革新直接关系到微生物燃料电池的工作效率、产电能力等。目前，研和性质的革新直接关系到微生物燃料电池的工作效率、产电能力等。目前，研究最多的是究最多的是Nafion膜，它是一种全氟磺酸质子交换膜，具有较高的离子传导性。膜，它是一种全氟磺酸质子交换膜，具有较高的离子传导性。但因其成本及氧气扩散的限制而不利于工业化。所以今后将设法提高质子交换但因其成本及氧气扩散的限制而不利于工业化。所以今后将设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的微生物燃料电池。膜的穿透性以及建立非间隔化的微生物燃料电池。LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望（5）内阻）内阻问题问题：内内电阻的微降会显著地提高输
39、出功率，说明其在提高电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要电池的输出功率方面具有重要作用作用：1）PEM对内阻的对内阻的影响；影响；2）PEM和和电极的空间距离对内阻的电极的空间距离对内阻的影响；影响；3）电极间距离和电极表面积对系统内电）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响阻的影响（6）传递）传递问题问题：反应反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最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是电子传递过程中的主要制约终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素因素：氧氧作为阴极反应的作为阴极反应的电子受体最大问题是在水中的溶解度低电
40、子受体最大问题是在水中的溶解度低。所以，考虑不同的物质作为阴极。所以，考虑不同的物质作为阴极反应的电子受体也受到关注。反应的电子受体也受到关注。LOGOLOGO微生物燃料电池的问题与展望展望展望 总之总之,微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环境污染问题有微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环境污染问题有机的结合起来的新技术机的结合起来的新技术,其蕴藏的极大潜力为今后人类充分利用工农业废其蕴藏的极大潜力为今后人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾等生物质资源进行发电提供了广阔的前景。弃物和城市生活垃圾等生物质资源进行发电提供了广阔的前景。 目前目前,虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定
41、的输出功率虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出功率,还有待于还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相信相关技术的进一步提高。但完全可以相信,随着微生物学和电化学技术的随着微生物学和电化学技术的不断发展不断发展,微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机(废废) 物发电的新技物发电的新技术核心。术核心。1研究背景与发展现状2微生物燃料电池概述3微生物燃料电池的应用4未来研究趋势及展望5基础研究案例分析目录 CONTENTSLOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用1.猪场养殖污水猪场养殖污水 实验所用养猪废水取自厦门市郊某养猪场，为猪粪和猪
42、舍冲洗水组成的实验所用养猪废水取自厦门市郊某养猪场，为猪粪和猪舍冲洗水组成的混合废水，其水质特征如表混合废水，其水质特征如表1 所示所示 依据依据畜禽养殖业污染物排放标准畜禽养殖业污染物排放标准GB 18596-2001，最高允许日均，最高允许日均排放浓度：排放浓度：COD为为400 mg/L、氨氮为、氨氮为80 mg/L、总磷为、总磷为8 mg/LLOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用阴阳极阴阳极碳毡碳毡表面积表面积：16 cm2质子交换膜质子交换膜阴阳极室体积：阴阳极室体积： 135cm3双室双室MFC( (有机玻璃板有机玻璃板) )阴极室阴极室:微藻（去除微藻（去除N、
43、P）阳极室阳极室:光和细菌（去除光和细菌（去除COD）外加电阻外加电阻： 1000 2.MFC装置构造装置构造LOGOLOGO阳极接种物阳极接种物：光合菌群光合菌群阴极微生物阴极微生物：栅藻栅藻( Desmodesmus sp A8 ) MFC 启动阶段启动阶段：阳极液阳极液:人工废水人工废水 （乙酸钠）（乙酸钠）阴极液阴极液:BG11 培养基培养基电池稳定运行后电池稳定运行后：阳极液阳极液：养猪废水养猪废水阳极出水为阴极进水阳极出水为阴极进水反应器置于反应器置于3000 lx 光照下运行，光照下运行，温度恒定在温度恒定在28 。 待输出电压待输出电压降至降至40mV 以下更换培养液以下更换培
44、养液点击输入标题内容3. MFCs 的接种与运行的接种与运行LOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用4.水质分析水质分析 COD 测定采用重铬酸测定采用重铬酸钾钾氧化法，氨氮测定采用纳氏试剂比色法，氧化法，氨氮测定采用纳氏试剂比色法，TP 测定测定采用钼酸铵分光光度法采用钼酸铵分光光度法氨氮氨氮、磷磷及及COD 的去除率的去除率( r) 计算公式如下计算公式如下：式中，式中，C0和和Ct分别为初始浓度和处理分别为初始浓度和处理t 天后的浓度天后的浓度LOGOLOGO氮浓度氮浓度250 mgL-1硝氮硝氮( NaNO3) 、氨氮、氨氮( NH4Cl) 、有机氮、有机氮( 尿素尿素
45、) 、硝铵混合氮硝铵混合氮( NH4NO3) 氮源氮源添加添加NaNO3 氮浓度分别为氮浓度分别为 0、5、50、125、250 mgL-1氮浓度氮浓度采用采用K2 HPO4磷浓度分别为磷浓度分别为 0. 8、7.2、21.6、64.8 mgL-1磷浓度磷浓度微藻微藻BG11 培养基培养基5.氮、磷对微藻生长的影响氮、磷对微藻生长的影响利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用LOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用6.结果与讨论结果与讨论 6.1氮源及氮磷浓度对氮源及氮磷浓度对MFC 阴极微藻生长的影响阴极微藻生长的影响图图2 氮源（氮源（a）对微藻）对微藻A8的生长影响的生长
46、影响4种氮源均能促进微种氮源均能促进微藻的生长；藻的生长；有机氮硝态氮有机氮硝态氮硝铵混合氮氨氮硝铵混合氮氨氮LOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用图图2 氮浓度（氮浓度（b）、磷浓度（）、磷浓度（c）对微藻）对微藻A8的生长影响的生长影响随着随着N、P浓度的增加，微藻生长速率增加浓度的增加，微藻生长速率增加LOGOLOGO6.2 光照对阳极光合细菌群电势的影响光照对阳极光合细菌群电势的影响 开路电势开路电势反应了微生物的代谢途径，常用于表征微生物燃料电池的性能反应了微生物的代谢途径，常用于表征微生物燃料电池的性能。光暗条件下接种光合细菌群的生物电化学系统开路电势变化如图光暗
47、条件下接种光合细菌群的生物电化学系统开路电势变化如图3 所示所示：利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用 在黑暗条件下，光合菌群代在黑暗条件下，光合菌群代谢乙酸钠，开路电势迅速下降，谢乙酸钠，开路电势迅速下降，40h 后稳定在后稳定在-0.4 V；黑暗条件下黑暗条件下稳定运行稳定运行180 h 后，给予光照后，给予光照( 1500 lx) ，OCP 迅速降低，说明迅速降低，说明光照光照能能提高光合细菌的还原活性提高光合细菌的还原活性。光合细菌在光照条件下存在有别光合细菌在光照条件下存在有别于黑暗条件的代谢方式和电子传于黑暗条件的代谢方式和电子传递路径递路径LOGOLOGO利用微生物燃料电池实
48、现养猪废水资源化利用6.3 MFC 处理养猪废水处理养猪废水产电特性产电特性 产电曲线呈现产电曲线呈现上升、平稳上升、平稳和和下降下降3 个阶段，刚加入废水时，微生物所个阶段，刚加入废水时，微生物所需要的营养物质得以补充，电压迅速需要的营养物质得以补充，电压迅速上升至最大值并稳定，出现较好的产上升至最大值并稳定，出现较好的产电平台，随着废水中有机物被降解，电平台，随着废水中有机物被降解，电压逐渐电压逐渐下降。下降。 以含乙酸钠的人工废水为基质，以含乙酸钠的人工废水为基质，输出输出的稳定的稳定电压约为电压约为207 mV；运行两运行两个循环后，阳极液更换为养猪废水，个循环后，阳极液更换为养猪废水
49、，电池输出电压下降至电池输出电压下降至184 mV；可能由可能由于养猪废水成分更加复杂，对阳极微于养猪废水成分更加复杂，对阳极微生物的生长产生了不利冲击，导致电生物的生长产生了不利冲击，导致电池输出电压下降至池输出电压下降至161mV，并趋于稳，并趋于稳定定LOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用6.4处理养猪废水处理养猪废水的效率的效率 经过经过1 个运行周期个运行周期( 水力停留时间为水力停留时间为4 d) 依据依据畜禽养殖业污染物排放标准畜禽养殖业污染物排放标准GB 18596-2001，最高允许日均排放浓，最高允许日均排放浓度：度：COD为为400 mg/L、氨氮为、氨
50、氮为80 mg/L、总磷为、总磷为8 mg/LLOGOLOGO利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用6.5阴极栅藻在不同处理废水中的生长阴极栅藻在不同处理废水中的生长 为了考察阳极处理后养猪废水是否可用于微藻培养，本文以为了考察阳极处理后养猪废水是否可用于微藻培养，本文以OD680为细胞为细胞密度指标，监测了栅藻密度指标，监测了栅藻A8 在在BG11 培养基培养基、养猪废水养猪废水、稀释稀释1 倍的养猪废水倍的养猪废水及及经阳极光合菌群处理的养猪废水经阳极光合菌群处理的养猪废水中的生长情况，结果如图中的生长情况，结果如图5 所示所示: 用处理后的养猪废水培养微藻用处理后的养猪废水培养微藻A8
