微生物燃料电池文献综述

1、微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, 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。 其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下, 有机物在微生物作用 下分解并释放出电子和质子, 电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效 传递,并通过外电路传递到阴极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到阴极,氧化剂 (一般为氧气 在阴极得到电子被还原与质子结合成水 1。随着环境问题和能源危机的日益严重 , 微生物燃料电池作为一项新型的污水处理和能 源回收技术引起了国内外广大研究者的关注 , 并对 MFC 的产电机理、产电微生物、电子传递 机理、反应器结构、电极材料

2、等进行了广泛的研究。有研究表明 , 影响 MFC 产电的主要因素 有 :产电微生物、外阻、基质种类和浓度、溶液的 pH 、温度、缓冲溶液等。为了更好地研究 阳极 , 微生物燃料电池的阴极大多采用非生物阴极 , 如在阴极添加 Pt 作为氧气还原的催化剂以及采用过渡金属 (Fe或者 Co 化合物、铁氰化钾溶液等 2。钟登杰等 3认为虽然非生物阴极具有良好的产电性能 , 但也存在催化剂价格昂贵、容易失效、 需要经常替换等缺点,限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。于是, 研究 者们开始致力于开发一种能够可持续发展的微生物燃料电池。 其中, 生物阴极微生物燃料电 池由于具有建造和运行费用低、 可

3、持续发展性强、 可产生有用物质或者去除无用的化合物等 优点而引起研究者们的关注。作者搭建了一个生物阴极微生物燃料电池 , 并以输出电压和库 仑效率 (CE为指标, 考察了外阻、基质浓度、 缓冲溶液对 MFC 产电性能的影响。研究结果表 明当外阻 50时 MFC 能稳定运行。 MFC 的 CE 随着外阻的减小而增加。随着基质初始 浓度的增加 ,MFC 稳定运行的时间延长 , 但 CE 会降低。添加缓冲溶液有利于提高 MFC 的输 出电压和 CE, 使阴极和阳极溶液的 pH 保持在中性附近 , 有利于微生物的生长。易丹等 4研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人

4、工配水的产电情况和有机物去除效果。结果表明, MFCs 中能量的输出与底物的种 类有关,使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为 0.43V 和 0.39 V,最大功率密度分 别为 36.03和 6132 mW/m2, 简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物。 MFCs 在产电同时 还可有效去除水中的有机物, 288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的 MFCs 中 TOC 的去除率分别 为 91.15%和 83.20%, NH3-N 的去除率分别为 90.31%和 86.20%。扫描电镜发现, 2种底物下 MFCs 阳极表面的微生物形态差异显著, 以乙酸钠为底物的 MFCs 阳极表面生物相主要为杆

5、菌 和弧菌;以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌,表明不同底物条件下 MFCs 中所形成的微生 物优势种群也不同。张玲等 5写道:通过试验发现,以硝酸盐为电子受体的 MFC 在间歇运行过程中,阴极出现了不同程度的亚硝酸盐积累, 由于亚硝氮对水质会造成不利影响, 同时会降低阴极电势 进而影响 MFC 产电, 需采取措施加以克服。 本研究在考察负载大小、 进水特性 (包括硝酸盐 浓度和有机物浓度 对双筒型 MFC 产电和反硝化能力的影响基础上, 提出抑制亚硝酸盐积累 的措施。研究表明: MFC电流越大,硝酸盐去除速度越高,但亚硝酸盐的积累现象明显。 当外电阻从 50下降到 5 ,硝酸盐去除速率由 0.

6、 26 mg/(L·h 上升到 0. 76 mg /(L·h , 在外电阻为 5时,亚硝氮积累浓度达 55 mg/L。硝酸盐起始浓度在 20 120 mg/L时硝酸盐去除速度基本相同, 此时硝酸盐去除满足 0级反应。 有机物的加入能提高阴极反硝 化速度,避免亚硝酸盐积累,有机物 COD 浓度在 30 270mg / L时对 MFC 产电影响不大。陈立香等 6认为根据厌氧、 好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类; 归纳总结了微生物组成、 电极和分隔材料的研究进展, 探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中 的实际应用,并提出了其将来发展的可能方向。黄丽萍等 7简要介绍微

7、生物燃料电池研究现状基础上, 系统综述了该技术及与其他技术耦合在生物质能利用方面的最新研究进展, 重点分析了其中存在的问题, 并展望了该技术在 生物质能转化和利用方面的研究前景。G.S.Jadhav 等 8介绍了对微生物燃料电池性能的影响的几种重要自然因素。詹亚力等 9以醋酸钠水溶液为原料, 构建了一个无媒介体、 无膜的单室微生物燃料电池,考察了溶液的浓度、外电阻、温度和氧气的加入等因素对电池性能的影响 , 监测了电池外电 压和两极电极电势的变化过程, 分析了微生物燃料电池的运行机理。 研究结果表明 : 阳极 吸附的微生物的活性是影响电池输出电压 (输出功率 的关键因素。 营养液初始浓度越高,

8、 微 生物活性越高,输出最大电压越高,输出电压与浓度之间的关系符合 MONOD 方程 ; 溶液中溶 氧的存在使微生物活性明显降低, 但溶氧浓度降低到一定程度后, 活性逐步恢复; 随着电池 温度的升高,微生物活性快速上升, 但温度突变到 50e 后, 微生物活性明显降低;电池换 水后 , 由微生物活性所决定的阳极电势迅速达到平衡 , 而阴极电势需要较长的时间才能达到 极大值;随电流密度的变化 , 两极电极电势相应发生变化,其变化趋势符合原电池的基本 规律;随外电阻的变化,电池输出功率出现极大值,即当外电阻为 200时,电池输出功 率达到 346 mW /m²。冯玉杰等 10以多孔碳纸为

9、阳极 , 耐水性电催化材料为阴极, 设计了无媒介双室微生物燃料电池 (MFC。 以厌氧污泥为出发菌株 , 乙酸钠为底物 , 外接一定负载条件下 , 进行 MFC 产电过 程研究。分别研究进水质量浓度在 800 mg/L, 1200 mg/L, 1600 mg/L, 2000 mg/L,以及在 外电阻条件为 400、 600、 800、 1000, 水力停留时间 48 h 时,负载两端的电压、功 率密度、 电化学池中生物量 (VSS和出水 COD 的变化规律。 结果表明, 进水质量浓度升高时 , 阳极池内生物量减少 , COD 去除率降低, MFC 功率密度提高。在进水乙酸钠质量浓度为 2000

10、 mg/L时, MFC 最高功率密度为 35171 mW /m², 电流密度为 345 mA/m²。外电阻阻值降低后, 平均出水 COD 升高, MFC 电流升高, 阳极池微生物产电能力增强。 得出了这样的结论: MFC 在去除有机废水 COD 的同时 , 可以产生生物电能 , 本研究中 , 功率密度可达 35171 mW /m²。 负载一定的情况下 , 增加进水质量浓度无介体双室 MFC 的输出电压升高 , 阳极生物量减少 , COD 去除率降低,单位生物 COD 去除量增加。进水质量浓度不变 , 随着外电路负载降低, 开始电路中电流基本无变化。当负载降低到 6

11、008时,电流增大。此过程中反应器 COD 去除 能力下降 , 微生物产电能力明显加强。 载铂碳纸作为阴极材料时, 性能明显优于钌钛阴极, 相同条件下,负载两端电压可升高 83%。张乐华等 11研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素,并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。 以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极 MFCs 的启动时间为 150200 h ,运行稳定时,最高电 压达 600mV 。 研究表明, 该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应, 其 NO 3-N 的生成速率为 0.79m/(L·h , NO 2-N

12、 最高质量浓度为 1.56mg/L;阴极进水中 NH 4-N 以及 Do 浓度均是重要影响因素; 对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明, 铁锰氧 化细菌为 7.5×106MPN /mL ,硝化细菌为 9.3×105 MPN/mL 。由于具有生物和电化学催化的双重功能, 生物阴极已在污染物处理与资源回收等方面表 现出了较佳的性能, 目前已成为 MFCs 研究的重要方向之一, 但由于起步较晚, 生物阴极的 相 关 研 究 报 道 相 对 不 多 , 尤 其 是 生 物 阴 极 研 究 中 缺 少 如 阳 极 体 系 中 Geobacter- sulfurreduc

13、ens 、 Shewanellaoneidensis 等模式菌株,可以用来研究电极反应机理。目前, 研究者对生物阴极微生物的作用机理尤其是电子传递机制还不够了解, 限制了其功能的提高并进而影响了实际应用 12。关于生物阴极下一步研究的重点包括如下几个方面 : 通过使用基因和蛋白质的分子生物学技术 ( 如基因组学技术、 蛋白质二维电泳等 深入研究阴极微 生物组成、 演替和功能; 在微生物学基础上,结合现代分析化学与电化学分析技术, 阐明 污染物代谢途径和阴极 -微生物电子传递机制;探索高效、低成本的阴极和隔膜材料,从 而在提高生物阴极处理效率的同时降低构建成本, 以利于生物阴极的推广应用; 应用

14、微生 物电合成阐明微生物的代谢途径及微生物与电极表面的相互作用,扩展了生物电极的功能 化, 为基因工程改造产电菌从而提高整体微生物燃料电池的性能提供理论依据, 也是未来一个重要的发展方向 13。MFC 自身潜在的优点使人们对其在生物质能转化利用的发展前景看好。 目前, MFC 的研 究主要集中在两方面:通过分子生物学和基因工程技术剖析细胞与电极间的相互作用, 改 进和调控电活性微生物细胞, 降低或去除电子转移过程的屏蔽作用或阻力, 以及反应器构型的改进, 以期进一步提高 MFC 产电功率和生物质能利用效率; 开展 MFC 产业化研究 14。从废弃物的利用角度看, MFC 已具实际应用价值。但目

15、前 MFC 制造成本偏高,使得经济价 值降低。昂贵的阴极催化剂和阴极材料是 MFC 成本高的主要原因。寻找高性能、低成本化 学催化剂和阴极材料以及生物阴极是 MFC 生物质能利用的发展方向。 在生物质来源方面, 废 水类生物质可以被 MFC 有效利用。对纤维类生物质特别是植物纤维,消除或减轻预处理或 降解后生成的酚类、呋喃类等抑制剂对生物活性的影响是 MFC资源化利用过程中需要重点 解决的问题。 最后, 结合 MFC 现有性能和特点发展起来的电能和化学品联产耦合过程如 MFC 副产 H2O 2、利用 CO2的 MFC 副产甲烷或有机物等是 MFC 发展的新方向。结合双室 MFC 膜 结构性能和

16、特点开展起来的 MFC 海水淡化技术以及 MFC 生产碱技术,也拓展了 MFC 的发 展空间和应用范围。近年来,微生物技术、纳米材料技术、电化学技术、化学和环境工程的 巨大发展和进步,为 MFC 研究提供了有利的物质、知识和技术储备。因此,在不远的将来MFC 有望在生物质能的高效转化和利用方面取得重要进展 15。1 陈阳. 生物阴极型微生物燃料电池结构优化及同步脱氮除碳研究 D. 北京:北科技大 学, 2009.2 卢娜,周顺桂,张锦涛,等.利用玉米浸泡液产电的微生物燃料电池研究 J.环境科 学, 2009, 30(2:563-567.3 钟登杰 , 黄霞 , 梁鹏 , 夏雪 . 生物阴极微生

17、物燃料电池产电性能的研究 J.中国给水排水 ,2010,26(1:9-114 易丹 , 陶虎春 , 李兆飞 , 梁敏 , 曾立武 . 双室微生物燃料电池利用乙酸钠和淀粉产电研究 J.环境科学研究 ,2008,21(3:141-1455 梁鹏 , 张玲 , 黄霞 , 范明志 , 曹效鑫 . 双筒型微生物燃料电池生物阴极反硝化研究 J.环 境科学 ,2010,31(8:1932-19356 陈立香 , 肖勇 , 赵峰 . 微生物燃料电池生物阴极 J.化学进展 ,2012,24(1:157-162 7 黄 丽 萍 , 成 少 安 . 微 生 物 燃 料 电 池 生 物 质 能 利 用 现 状 与 展

18、 望 J.生 物 工 学 报 ,2010,26(7:942-9498 G.S.Jadhav,M.M. Ghangrekar.Performance of microbial fuel cell subjected to variation in pH,temperature,external load and substrate concentrationJ. Bioresource Technology, 2009:717-723.9詹亚力 , 王琴 , 张佩佩 , 闫光绪 , 郭绍辉 . 微生物燃料电池影响因素及作用机理探讨 J.高等学校化学学报, 2008,01:144-14910冯玉杰 , 王鑫 , 李贺 , 任南琪 . 乙酸钠为基质的微生物燃料电池产电过程 J.哈尔滨工 业大学学报, 2007,39(12:1890-1895