微生物燃料电池剖析

微生物燃料电池工作原理结构图阳极从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传递电子的作用，可以说是决定MFC产电能力的重要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要的辅助工具。现在，MFC阳极主要是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生物的量也就能影响产电量。因此阳极材料的选择主要就是考虑材料的比表面积、此外，阳极除了材料还有关注的重点就是阳极附着的微生物。目前已知的产电微生物有希瓦氏菌、假单胞菌、泥细菌等。但是在应用范围内，很少使用纯菌，而多数使用的为混合菌群。相较与纯菌，混合菌具有阻抗环境冲击能力强、利用基质范围广、降解底物速率和能量输出效率高的优点。通常使用的是厌氧发酵液、河道的厌氧底泥以及污水处理厂的厌氧活性污泥。膜质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截留的微孔材料。现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。阴极最新的研究表明，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，但是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分为非生物阴极和生物阴极。非生物型阴极非生物阴极常用的催化剂主要有Pt、过渡金属元素等。目前，Pt是使用的最为广泛的高效催化剂，有研究表明，用Pt催化电极反应可以使MFC的产电性能提高近4倍。但是，Pt的价格昂贵，不适宜长期使用。最近研究人员又把目光投向了过渡金属元素，如铁和钴。比如实验室目前使用的铁氰化钾。电子传递性能和输出电压都有明显的提升。非生物阴极虽然能显著提高MFC产电性能，但是其成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。研究人员考虑用微生物体内的具有特定功能的酶作为催化剂，取代金属催化剂。生物阴极与非生物型阴极相比，生物阴极具有的优点：1.可以显著降低MFC建造的成本2.能够避免出现催化剂中毒，提高系统运行的稳定性3.利用某些特定微生物的代谢可以去除水中的多种污染物，例如生物反硝化生物阴极根据最终电子受体的不同，也可细分为好氧型生物阴极和厌氧型生物阴极。好氧型生物阴极MFC中常用的就是氧气，因其在空气中含量较高，使用也很方便，直接在阴极曝气。研究者发现长满生物膜的不锈钢阴极能够还原氧气，提高电池性能，最大功率密度达到320mW/㎡。当去除生物膜后功率密度会显著下降，从原来的270降到了2.8，这就证明生物膜对氧气还原有着明显的催化作用。其次，二氧化锰也能作为直接的电子受体，在MFC的阴极表面沉积一层MnO2，利用MnO2的电化学还原和生物再氧化过程，在MFC中首次实现了生物阴极过程阴极发生的反应可以分为两步：这比直接以氧气为电子受体的MFC产电能力提高了近40倍。三价铁为直接的电子受体，厌氧型生物阴极在厌氧条件下，许多化合物，如硝酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等都可以作为电子受体。利用厌氧生物阴极代替需氧生物阴极的一大优势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳极，防止氧气消耗电子导致库伦效率下降。目前研究比较广泛的是以硝酸盐和硫酸盐作为最终电子受体的情况。硝酸盐为电子受体参加电极反应，能够实现微生物在低碳源或无碳源条件下的反硝化作用，避免在水处理过程中补充碳源。MFC同步的脱氮除碳是研究的热点，研究人员在MFC阳极利用微生物去除有机物产生电子，同时在阴极利用硝酸盐还原菌催化硝酸盐还原，从而实现在去除有机物的同时，脱去污水中的氮。示例：以硝酸盐为电子受体的MFC在产电能力方面逊色于其他类型的MFC，但是能够在阴极实现生物反硝化也使得其在实际应用中有十分重要的意义。硫酸盐也可以作为MFC阴极的电子受体，但是它的接受电子的能力明显弱于硝酸盐，但是它的还原不需要严格厌氧条件，因此，作为研究对象而言还是很有吸引力的。此外，二氧化碳也可以倍作为终端电子受体。研究人员在阴极以中性红为电子介体，依靠微生物利用阴极电极产生的电子将二氧化碳还原成甲烷。但其产电力不高。MFC的最新研究方向微生物电解池（MEC），一种新型的利用废水产氢技术。由于产电细菌能够释放电子，所以可以利用MFC形式的反应器进行产氢。微生物氧化底物释放电子，这些电子与同步产生的质子结合形成氢气，但是这个过程无法自行完成，需要一个电化学来辅助其产氢气。即在电路中施以外加电压。所以这个过程也称为电辅助产氢。微生物脱盐池（MDC），用于淡化盐水。目前的海水淡化技术要高压及大量的电能。研究人员构建的以醋酸为底物，不同初始浓度的盐水的MDC，脱盐率能达到90%。环境污染治理1、使用MFC技术进行生物修复研究表明，MFC系统可以再厌氧条件下用于提高被石油污染的地下水的生物修复速率。2、用于难降解有机物的去除当构建一个以葡萄糖和偶氮燃料为基质的生物阴极型MFC时，污染物的去处速率显著加快，脱色率得到提高。3、制成BOD生物传感器，对受污染水体进行预警，甚至能够为边远海域的导航系统提供电源（SMFC）。结语与展望MFC具有广泛的应用开发前景，但是燃料电池功率低束缚了MFC的进一步发展。因此，解决MFC发展的瓶颈因素，应依托生物电化学、生物传感器、纳米材料、基金工程等技术。深入研究非贵金属催化剂、阴阳极材料的优化、质子交换膜的改善、微生物的筛选和培育、生物膜固化技术、MFC机构的研究与开发。相信在MFC在不久的将来必定能得到更快的更好的发展。