微生物燃料电池发电原理与效能(第6章)

微生物燃料电池发电原理与效能李永峰教授目录概述1间接微生物燃料电池2直接微生物燃料电池3微生物燃料电池应用概况6微生物燃料电池材料研究4微生物燃料电池模型研究5概述

概述

早期的微生物燃料电池主要是将微生物发酵的产物作为电池的燃料进行发电的。最早开展这方面研究的是英国植物学家Potter，他利用酵母和大肠杆菌进行试验，发现利用微生物可以产生电流。

概述

原理

微生物燃料电池是指在微生物的催化作用下，将化学能转化为电能的装置。

概述

分类

微生物燃料电池包含阴、阳两个极室，两个极室中间由质子交换膜分隔开来，这种微生物燃料电池称为双室微生物燃料电池，而将无分隔的微生物燃料电池称为单室微生物燃料电池；按电子转移方式的不同，微生物燃料电池又可分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。

间接微生物燃料电池

原理

间接生物燃料电池的工作原理是以污染物作为底物，在微生物胞外酶的作用下底物被氧化，通过介体的氧化还原过程转变为电子转移到电极。

间接微生物燃料电池充当介体应具备的条件

容易通过细胞壁；

容易从细胞膜上的电子受体获取电子；

电极反应快；

溶解度、稳定性等要好；

对微生物无毒；

不能成为微生物的食料。

间接微生物燃料电池

举例

近年来，关于寻找高效微生物催化剂的研究逐步成为微生物燃料电池的研究热点。从理论上讲，各种微生物都有可能作为生物燃料电池的催化剂，经常使用的有大肠杆菌(Escherichiacoli)、普通变型杆菌(Proteusvulgaris)等。

间接微生物燃料电池1234Thurston等研究了用普通变型杆菌做生物催化剂的微生物燃料电池的发电过程，发现只有部分葡萄糖被完全氧化为C02。

Delaney等用亚甲基蓝等介体及大肠杆菌等7种微生物测量了介体被微生物还原的速率与细胞的呼吸速率，发现实验明显改善了电池的电流输出曲线。

Lithgow等比较了大肠杆菌与介体硫荃，DST-1等组成的生物燃料电池性能，发现前三种较好，且介体分子中的亲水性基团越多，电池的输出功率越大。

Haber—mann等研究了直接以含酸废水为原料的微生物燃料电池。此显示了生物燃料电池的双重功能。

Tanaka等研究了与光合作用相结合的微生物燃料电池，研究表明，黑暗中，细胞分解时产生的电子是电流的主要来源，而光照时，水解是主要来源。

5直接微生物燃料电池

直接微生物燃料电池的特点

可以利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水中的污染物等作为燃料；

可以在常温、常压和接近中性的环境中工作，其维护成本低、操作安全性强；在应用中可以净化污染物并将其转化为有用的物质，可实现零排放；微生物燃料电池还可以将底物直接转化为电能，具有较高资源利用率；消除无二次污染，实现低碳经济，环境和经济真正的可持续发展。

直接微生物燃料电池

直接微生物燃料电池的电极对微生物活化的影响

直接微生物燃料电池中，影响电子传递速率的一个很重要的因素是阴极和阳极的电极构成，因此，人们通过改进阴极和阳极材料和改变电极表面积来提高微生物燃料电池的性能。

直接微生物燃料电池

直接微生物燃料电池的电极对微生物活化的影响

阳极：微生物燃料电池的阳极主要是以碳为基材制成的，包括碳纸、碳布、石墨片(棒)、碳毡和泡沫石墨。目前，有研究者研究了各种材料之间的差异及各种阳极特性对电池性能的影响。这些研究多采用两室型微生物燃料电池实验装置。

直接微生物燃料电池

通过选取特定的阳极材料来考察孔体积、表面积、孔径分布、表面粗糙度和表面电位对阳极产电性能的影响。

直接微生物燃料电池薄碳纸

厚碳纸

碳毡

碳毡的内阻最低，生物量最高，即最大输出功率最高；薄碳纸的内阻最高，生物量最低，相应的最大输出功率最低。

直接微生物燃料电池考察表面粗糙度对微生物燃料电池产电性能的影响时，将相同的石墨电极分别用2000目和l50目的砂纸打磨，打磨后两电极的表面粒度分别为7．5μm和100μm。两电池的E。随时间的变化如图

糙面石墨电极的生物量比光面石墨电极的多，粗糙的表面更适合微生物附着生长。

直接微生物燃料电池为进一步确认阳极材料表面电势对微生物产电的影响，让3个微生物燃料电池在不同的初始电势下连续运行5d，阳极电势随时间的变化如图

阳极施加正电势会影响微生物的附着速度直接微生物燃料电池质子交换膜

在微生物燃料电池中的阳极室和阴极室(或阴极)，通常需要进行物理分隔，目前采用的分隔材料有质子膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸等，其中盐桥、玻璃珠和玻璃纤维等，质子膜是一种选择透过性膜，具有良好的质子传导性，同时能够阻止阴极室中的氧气向阳极室传递，保证阳极室维持缺氧状态。

直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池的介体与催化微生物

不同种类的微生物燃料电池中，生物电极介体和主要催化微生物，以及其所涉及的电子转移途经及电子受体。

1)在大多数研究中微生物燃料阳极是与空气阴极连在一起的。2)电压值通过欧姆定律算出。3)阳极表面积为其几何面积。4)断路测量。5)短路测量。直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池的流场与流体动力学

在直接微生物燃料电池中，阴极室和阳极室构成了两个不同的流场，它们提供了微生物生长、繁殖和催化的场所，同时微生物燃料电池也利用电池的电极来代替微生物原来的天然电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。

直接微生物燃料电池

微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关联组分或者通过氧化还原介体传递给阳极再经过外电路转移到阴极；在阴极区电子将电子受体(如氧)还原，然后与透过质子交换膜转移过来的质子结合生成水。直接微生物燃料电池流场在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整个过程中，生物催化质点或微生物在流场中不断的运动，加速电极表面反应质点的快速更新，促进电子在阳极表面的传递。

直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池结构、设计与组装

直接微生物燃料电池的结构设计与组装是其应用的关键。通常微生物燃料电池分为一室型和两室型两大类。两室型微生物燃料电池应用广泛，它具有阳极室和阴极室。

直接微生物燃料电池阳极和阳极室

目前微生物燃料电池的阳极材料主要是碳，包括纯碳(石墨和碳纸)及在碳电极表面修饰金属氧化物两类。

电极材料阴极及阴极室阴极通常采用碳布或碳纸为基材，将催化剂喷涂或采用丝网印刷技术附着在阴极上，主要采用碳载铂为催化剂。

直接微生物燃料电池目前，微生物燃料电池采用的分隔材料主要有：质子膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸等，质子膜的使用较为广泛。目前工业化的质子交换膜主要是有杜邦的Nafion和Ul—trex品牌。分隔材料直接微生物燃料电池就隔膜材料来讲，两室型微生物燃料电池的结构复杂，而一室型微生物燃料电池由于省略了阴极室，氧气作为电子直接受体时传质阻力小于两室型微生物燃料电池。人们尝试将阴极和质子膜热压在一起，减少了质子在阴极室内的传递阻力。也有将碳布电极表面涂布或喷涂质子交换树脂，制成阴极一质子膜型和阳极一质子膜一阴极型的微生物燃料电池电极。

微生物燃料电池的材料研究

研究电池材料应考虑的问题

生物反应体系的问题，如前所述，主要涉及微生物产电性能、培养基工程、微生物降解有机和无机污染物过程中的电子转移路径等影响微生物体系性能的问题；微生物燃料电池本身的结构和污染物处理能力与微生物燃料电池的材料性能之间的关系。

微生物燃料电池的材料研究

阴极材料

微生物燃料电池常用的阴极材料为碳纸、碳布和碳纱，石墨、石墨板和石墨棒等。最近研究开发的新材料通常都是基于上面提到的材料进行改进的。

微生物燃料电池的材料研究不锈钢

金属掺杂和修饰

金属有机大环化合物修饰

生物阴极

用不锈钢做电极有成本低廉，机械强度高、抗腐蚀性等优点。

钛是一种低密度但坚硬耐腐蚀的过渡金属，拥有优良耐腐蚀特性，可作为被铂等催化剂修饰的电极使用。

在微生物燃料电池中应用金属酞菁催剂，如铁酞菁，可得到较高功率密度。

人们利用MnOx/C，并研究其在中性溶液中的催化活性，结果显示该催化剂适合作为微生物燃料电池的阴极材料使用。

微生物燃料电池的材料研究

阳极材料

与应用于化学燃料电池的典型阳极反应不同，微生物燃料电池由于微生物和化学物质的参与，在阳极上的反应会更复杂些。因此，阳极材料还必须要有良好的生物适应性、优异的导电性能、抗腐蚀性能、高比表面积和高孔隙率。

微生物燃料电池的材料研究有机导电聚合物

导电聚合物，以聚苯胺为例，易于合成、环境稳定性好和掺杂与去掺杂工艺简单，适合做电极材料的优点是允许反应产物H：而不是大分子扩散到电催化剂活性电极的表面，可有效防止电极中毒。

碳基

网状玻璃碳在微生物燃料电池作为阳极的使用。网状玻璃碳是通过碳化含合成树脂和发泡剂的聚合体得到的重要材料。有突出的高机械抗力、多孔性、生物适应性和相对高的导电性，广泛用于电极材料。

微生物燃料电池的材料研究

隔膜材料

在实验室尺度的微生物燃料电池试验中，人们熟知的膜，如质子交换膜(Nation-liT)、阳离子交换膜(CEM-1一UltrexTMCMl7000)、阴离子交换膜(FumasepFAD)、双极膜(FumasepFBM)等，但是实际上，一些没有电学特性的膜，如微滤膜，也被引入作为微生物燃料电池研究的一种选择。

微生物燃料电池的材料研究利用含阳、阴离子交换膜的双极膜，双极膜输送的离子是由CEM膜和AEM膜之间的过渡区内水裂解反应产生的，质子和氢氧根分别穿过CEM膜和AEM膜进行迁移

离子的迁移可以通过引入膜来改变，如选择性的传递阳离子(包括质子)(CEM，PEM)或阴离(AEM)

、Nation-117微滤和纳滤可以用于气相阴极单室微生物燃料电池的产电作用，但是需要进行表面接枝修饰。

单极膜

双极膜非极性膜微生物燃料电池的模型研究

微生物燃料电池的模型计算

微生物生长速率与微生物浓度及某些限制性底物浓度之间的相互关系，可以利用Monod方程为基础，将阳极室视为微生物反应器，利用微生物电化学的理论，将基质降解、微生物生长、产能发电的各参数之间的关系用数学模型来表示。

微生物燃料电池的模型研究

在微生物燃料电池过程系统中，应用过程控制存在的主要问题如下：

微生物燃料电池反应过程复杂。整个处理过程由多个操作单元组成，在同一单元内又发生多个性质完全不同的反应，包括物理化学和电生物反应。

许多影响系统特性的参数难以控制(如瞬间流量、有机物输入变化、有毒物质的输入和进水温度等)。系统高度动态化，并且很少在稳态情况下运行，缺乏一个有效和精确描述过程动态的数学模型。

微生物燃料电池系统的目标是既要进行发电同时排放的污水又要满足国家污染水排放标准。非量化信息。

微生物燃料电池的模型研究

从控制回路分析，微生物燃料电池的常规控制策略主要是对微生物燃料电池过程变量的控制。包括以下几点：

进料流量控制。

pH控制。微生物燃料电池接种细菌的繁殖和催化对pH大小有一定的要求，同时pH也会影响反应速度，产氢过程pH范围保持在3.8～4.5。D0浓度控制。阴极的溶解氧控制十分重要。

F/M控制。当F/M过低时，细菌的生产速率将下降，菌龄增加，系统容易受到有机物的峰值影响。微生物电池应用概况