微生物电池的原理与应用

1、微生物燃料电池(MFC)，微生物电池的原理和应用，相关概念，发展历史，工作原理，生产原理和效率，电池结构，优点，现状，应用和方向，目录，相关概念，燃料电池：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续转化为电能的电化学装置。生物燃料电池：利用酶或微生物组织作为催化剂将燃料的化学能转化为电能的发电装置。微生物燃料电池在英语中被称为微生物燃料电池，是一种利用微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置。它主要分为双室式和单室式。双室MFC由被质子交换膜分隔的阳极区和阴极区组成。单室多功能体适一体机节省了阴极面积，阳极和阴极在同一个室中工作。发展历史，1911年，英国植物学家波特，创始人；剑桥大

2、学的科恩教授构建了微生物细胞堆。1970年，生物燃料电池概念的定义；自1980年以来，生物燃料电池的输出功率大大增加。2002年，邦德发现了特殊的微生物芽孢杆菌。2006年，美国的布鲁斯教授、韩国的比昂教授和比利时的威利教授对MFC进行了大量的研究。工作原理：有机物作为燃料在厌氧阳极室被微生物氧化。产生的电子被微生物捕获并转移到电池的阳极。电子通过外部电路到达阴极，从而形成产生电流的回路。质子通过质子交换膜到达阴极，并与电子受体(氧)反应生成水。阳极和阴极反应如下：阳极反应：(CH2O) n nh2onco2 4ne- 4nh阴极反应：4e-O2 4h2o，工作原理图，生产率原理和效率，MFC

3、本质上是一个收集微生物代谢产生的电子并引导电子产生电流的系统。MFC的功率输出取决于系统传输的电子的数量和速率以及阳极和阴极之间的电势差。由于燃料电池不是热机系统，避免了卡诺循环的热力学限制，理论上燃料电池是将化学能转化为电能的最有效装置，最大效率可接近100%。根据微生物燃料电池的组成，阳极负责微生物的附着和电子的转移，可以说是决定微生物燃料电池发电能力的重要因素，也是研究微生物发电和电子转移机理的重要辅助工具。目前，MFC阳极主要由碳制成，包括碳纸、碳纤维布、石墨棒、碳毡、泡沫石墨和碳纤维刷。阳极是微生物氧化和分解有机物的地方，所以微生物的数量也会影响到发电量。因此，阳极材料的选择主要是考

4、虑材料的比表面积。质子可渗透材料可以是盐桥或多孔陶瓷膜。理想的材料是微孔材料，只允许质子通过，而基质、细菌和氧气都被截留。目前，质子交换膜质子交换膜主要用于测试。最新研究表明，阴极是制约MFC发电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应该是氧，但从氧的还原动力学来看，氧的还原速率相对较慢，这直接影响到MFC的发电性能。因此，向阴极添加各种催化剂以提高氧还原速率的研究开始了。根据阴极催化剂的类型，MFC阴极可分为非生物阴极和生物阴极。贵金属铂，过渡金属大环化合物，金属氧化物，多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级

5、串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联多级串联填充式多相流反应器类似于流化床反应器。燃料电池的优势(1)多种燃料源：可使用有机、无机、微生物呼吸代谢物、发酵产物和污水等。其不能被普通燃料电池用作燃料。(2)电池的运行条件相对温和：由于使用了微生物作为催化剂，电池可以在常温常压下运行，这不同于现有的发电过程，从而使电池的使用寿命大大延长(4)微生物本身可以在没有能量输入：的情况下进行能量转换，将燃料能量转换成电能并为人类提供能量。(5)由于微生物燃料电池的唯一产品是水，该技术无污染，可实现零排放。(6)能源利用率高。能量转换过程没有燃烧步骤，化学能可

6、以直接转换成电能。能源利用率高。微生物电解槽(MEC)是一种利用废水生产氢气的新技术。由于产电细菌可以释放电子，所以氢的产生可以通过使用MFC形式的反应器来进行。微生物氧化底物释放电子，电子与同时产生的质子结合形成氢，但这一过程不能单独完成，需要电化学来帮助它产生氢。也就是说，向电路施加电压。所以这个过程也被称为电辅助制氢。用于盐水脱盐的微生物脱盐罐。当前的海水淡化技术需要高电压和大量电能。研究人员以乙酸为底物，不同初始浓度的盐水构建的多相流可以达到90%的脱盐率。就应用发展前景和微生物燃料电池而言：替代能源；(2)传感器；(3)污水处理新技术；微生物燃料电池特殊环境中未培养细菌的富集。生物质能作为一种替代能源，在机器人、汽车和医疗方面有着广泛的应用潜力，因为MFC直接将生物质转化为电能。随着微生物传感器的发展和MFC广泛应用的原理，一种新型的生化需氧量传感器被开发出来。原则如下：电池产生的电流与充电的污染物浓度之间存在良好的线性关系；(2)电池电流对污水的响应速度更快；重复性好。目前，作为一种新型的水处理工艺，化学能污水中循环的有机物质一直是MFC研究的主要目的。然而，在研究中，经过污水处理后的MFC的水质监测结果引起了开发新的污水处理技术的研究人员的极大兴趣，以了解MFC的基本工作原理。优点：1)为微生物燃料电池提供了一个新的研究方向；2)为污水处理和变废为宝提供了新的发展