MFC微生物燃料电池

2014/10/201微生物燃料电池（微生物燃料电池（microbialfuelmicrobialfuelcell,MFCcell,MFC))技术技术————未来污水处理的愿景？未来污水处理的愿景？地区卡地区卡地区卡能源是人类赖以生存和发展的重要资源，随着全球经济的蓬勃发展，能源供需之间存在的矛盾也日趋明显。化石燃料中碳的释放使得空气中CO2量大幅增加。全球的气温也不断提高，造成温室效应。燃料电池技术作为一种新型的产能和能源供给方式一直受到高度重视，成为未来人类解决能源问题的重要途径之一。燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。问题1：什么是燃料电池？燃料电池单体是由正负两个电极及电解质组成。一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是把化学能转化为电能的能量转换机器。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。微生物燃料电池中的微生物能将有机物中蕴藏的化学能转化为电能，在完成生物降解有机物或废物的同时来产电，能将有机物中蕴藏的化学能通过微生物的催化作用而转化为电能问题2：什么是微生物燃料电池？化为电能。2014/10/202问题3：未来愿景？（1）底物生物氧化（2）阳极还原问题4：MFC怎样工作？（3）外电路电子传输（4）质子迁移（5）阴极反应微生物燃料电池反应器类型有膜型无膜型双室单室纯菌种杂菌种间歇流连续流直接型间接型盐桥式MFC双池活性碳颗粒MFC光合细菌MFC间歇式微生单池空气阴极MFC经典双池MFC纽扣式MFC空气阴极PEMMFC生物燃料电池2014/10/203连续式微生管式铁氰化钾阴极MFCUASB式铁氰化钾阴极MFC平板式MFC生物燃料电池单池空气阴极MFCMFC电池组Logan等研究MFC在废水处理中的可放大技术。Logan，Liu等证实了处理生活废水的同时可产生电能。Kim等研究开发了无介体微生物燃料电池Potter发现细菌可以产生电流。Rabaey等证实了不加化学中介质的情况下利用葡萄糖可将功率密度提功率密度提高两个数量级MFC反应器发展历史2003年石墨金属阴极单室反应器（Park、Zeikus）2004年空气阴极反应器（Logan、Liu）2006年H型反应器（Logan等）2004年单室空气阴极反应器（Liu等）2004年平板形MFC（Logan、Min）2004年管状填充反应器（Jang等）2006年使用铁氰化物电解液的微型反应器（Ringeisen）2007年双室空气阴极系统(Kim等）2007年大反应器（Liu等）2007年新瓶状MFC反应器（Logan等）无污染无需能量生物微生物燃料电池优点问题5：MFC如何应用在污水处理中？1可以利用多种物质进行产电燃料来源多样化2常温常压中性安全操作条件温和3唯一产物是水无污染零排放4能量转化工厂无需能量输入5葡萄糖和氧为底物生物相容性2014/10/204利用传统处理工艺MFC替代生物处理反应器问题5：MFC如何应用在污水处理中？MFC主要去除sBODSC工艺去除pBODMFC反应器出水不需要回流至进水，因为反应器全部被填满。SC和沉淀工艺的设计与TF相同，取决于从MFC中产生的固体，可以计算得到生物膜固体量。MFC与MBR相连的处理工艺问题5：MFC如何应用在污水处理中？MBR由于曝气和过滤所需的能量而使运行成本昂贵。在此工艺中MFC产生的电能可以用来抵消这些能量的成本，减少固体产生，降低氧气消耗。问题6：如何制作一个简单的MFC污泥电池简易示意图原理：污泥电池也是一种微生物燃料电池，利用微生D污泥电池物直接将化学能转变成电能。微生物氧化分解有机物将电子通过阳极传递到阴极，电子在阴极与氧气结合形成电流。slugecoppersheetoxygenSaltbridge产电细菌混杂泥菌纯菌种直接取自自然界或者污水处理厂经人工分离和培养问题7：MFC为何能产电直接取自自然界或者污水处理厂经人工分离和培养对于单一的纯菌种，目前从自然界中分离鉴别的产电微生物细菌主要包括变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）的兼性厌氧菌，主要具有无氧呼吸和发酵等代谢方式，可依靠氧化糖类和羧酸类小分子有机底物维持生长。这些产电微生物大多数为铁还原细菌，体内呼吸链中以Fe（III）为最终电子受体。（产电微生物主要有：沼泽红假单胞菌、铁还原红育菌、埃希氏菌、希瓦氏菌、硫还原地杆菌、金属还原地杆菌、丙酸硫叶菌等）2014/10/205微生物燃料电池不仅可以净化水质，还可以发电，它的出现有望使污水处理变成一个有利可图的产业.虽然目前该产品还在不断改进，尚未投入商业化生产，但完全有理由相信它拥有广阔的发展前景因为电流或电量产出与电子供体的量有一定关系，所以它可用作底物含量的测定。如乳酸传感器和BOD传感器。问题9：MFC未来的发展环境方面最有潜力利用环境中微生物氧化有机物产生电能，既可以去除有机废物，又可以获得能量。发展前景。MFC存在的问题目前有关此方面的研究还主要停留在实验室水平上，限制其应用的瓶颈是功率密度低，材料造问题9：MFC未来的发展价昂贵以及MFC结构型式的不确定。第一，传统阴极电子受体的氧化还原电位太低，导致MFC的电池电动势过低，限制了MFC功率的提高；第二，当前报道的MFC形式从结构和运行特点上均不适用于废水处理工艺，限制了MFC在废水处理中的应用。问题9：MFC未来的发展MFC材料的昂贵价格与低功率，使无法与现有的产能方式（化石燃料）竞争。因此，提高功率输出、降低材料价格、产能过程中限制CO2的排量，可以使MFC成为未来产电的可行方法。2004年Logan，Liu等证实了处理生活废水的同时可产生电能后MFC结合传统污水处理的研究接踵而来。它的未来发展方向是开发MFC在生活污水、工业废水和其他类型废水处理中的可放大技术。即从废水中获得的电能不足以供给一个城市，但却足够运转一个处理厂。有效收集这部分能源，为水资源的循环利用提供持续的能量来源。土豆电池原理：两个电极阳极是铝（锌）阴极是铜，土豆提供他们所需要的酸液作为电解质。阳极铝失电子通过外电路传递到阴极铜，Voltmeter从而形成稳定电流。土豆电池电压达到0.7V左右PotatoAluminumwireCopperwire土豆电池示意图2014/10/206