微生物電池技術(shù)研究

摘 要：微生物燃料電池具有原料廣泛、反應(yīng)條件溫和、清潔高效等優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)述了MFC的原理、分類，對(duì)微生物燃料電池（MFC）產(chǎn)電影響因素進(jìn)行了闡述，分析了MFC技術(shù)的用途，最后歸納了MFC技術(shù)的研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池 產(chǎn)電 新能源

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）是一種新興的高效的生物質(zhì)能利用方式，它利用細(xì)菌分解生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能，具有無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)化效率高、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此MFCs逐漸成為現(xiàn)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)之一。

1 微生物燃料電池的工作原理

圖1是典型的雙室結(jié)構(gòu)MFCs工作原理示意圖，系統(tǒng)主要由陽(yáng)極、陰極和將陰陽(yáng)極分開(kāi)的質(zhì)子交換膜構(gòu)成。陽(yáng)極室中的產(chǎn)電菌催化氧化有機(jī)物，使其直接生成質(zhì)子、電子和代謝產(chǎn)物，氧化過(guò)程中產(chǎn)生的電子通過(guò)載體傳送到電極表面。根據(jù)微生物的性質(zhì)，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關(guān)的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質(zhì)。陽(yáng)極產(chǎn)生的H+透過(guò)質(zhì)子交換膜擴(kuò)散到陰極，而陽(yáng)極產(chǎn)生的電子流經(jīng)外電路循環(huán)到達(dá)電池的陰極，電子在流過(guò)外電阻時(shí)輸出電能。電子在陰極催化劑作用下，與陰極室中的電子接受體結(jié)合，并發(fā)生還原反應(yīng)[1]。

下面以典型的葡萄糖為底物的反應(yīng)為例說(shuō)明MFCs的工作原理，反應(yīng)中氧氣為電子受體，反應(yīng)完成后葡萄糖完全被氧化[2]。

2 微生物燃料電池的分類

目前為止，MFCs的分類方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常有以下幾種分類方法。

（1）基于產(chǎn)電原理進(jìn)行分類，包括氫MFCs、光能自養(yǎng)MFCs和化能異養(yǎng)MFCs。氫MFCs的原理是利用微生物制氫，同時(shí)利用涂有化學(xué)催化劑的電極氧化氫氣發(fā)電；光能自養(yǎng)MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉(zhuǎn)化為電能；而化能異養(yǎng)MFCs則是在厭氧或兼性微生物的作用下，從有機(jī)底物中提取電子并轉(zhuǎn)移到電極上，實(shí)現(xiàn)電力輸出[3]。

（2）基于電池構(gòu)型進(jìn)行分類，包括單極室微生物燃料電池、雙極室微生物燃料電池和多級(jí)串聯(lián)MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結(jié)構(gòu)，電池通過(guò)質(zhì)子交換膜分為陽(yáng)極室和陰極室兩個(gè)極室。單極室MFCs則以空氣陰極MFCs為主，將陰極與質(zhì)子交換膜合為一體，甚至是去除質(zhì)子交換膜。為了提高產(chǎn)電量，將多個(gè)獨(dú)立的燃料電池串聯(lián)，就形成了多級(jí)串聯(lián)MFCs[4]。

（3）基于電子轉(zhuǎn)移方式分類，包括直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池兩類。直接微生物燃料電池是指底物直接在電極上被氧化，電子直接由底物分子轉(zhuǎn)移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應(yīng)。間接微生物燃料電池的底物不在電極上氧化，而是在電解液中或其它地方發(fā)生氧化后，產(chǎn)生的電子由電子介體運(yùn)載到電極上去[5]。

（4）基于電子從細(xì)菌到電極轉(zhuǎn)移方式進(jìn)行分類，可分為有介體MFCs和無(wú)介體MFCs兩類。電子需要借助外加的電子中介體才能從呼吸鏈及內(nèi)部代謝物中轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，這類為有介體MFCs。某些微生物可在無(wú)電子傳遞中間體存在的條件下，吸附并生長(zhǎng)在電極的表面，并將電子直接傳遞給電極，這稱為無(wú)介體MFCs。

3 電池性能的制約因素[6～7]

迄今為止，MFCs的性能遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)。制約MFC性能的因素包括動(dòng)力學(xué)因素、內(nèi)阻因素和傳遞因素等。

動(dòng)力學(xué)制約的主要表現(xiàn)為活化電勢(shì)較高，致使在陽(yáng)極或者陰極上的表面反應(yīng)速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內(nèi)電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質(zhì)子交換膜的阻力?？s短電極間距、增加離子濃度均可降低內(nèi)阻。不用質(zhì)子交換膜也可以大大降低MFC的內(nèi)阻，這時(shí)得到的最大功率密度為有質(zhì)子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴(kuò)散的問(wèn)題[9]。另一個(gè)重要制約因素為電子傳遞過(guò)程中的反應(yīng)物到微生物活性位間的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。

另外，微生物對(duì)底物的親和力、微生物的最大生長(zhǎng)率、生物量負(fù)荷、反應(yīng)器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對(duì)微生物燃料電池內(nèi)的物質(zhì)傳遞有影響[10]。

4 微生物燃料電池的應(yīng)用

（1）廢水處理與環(huán)境污染治理。

微生物燃料電池可以同步廢水處理和產(chǎn)電，是一種廢水資源化技術(shù)。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個(gè)應(yīng)用方向，也是當(dāng)前微生物燃料電池的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，在生物脫氮、脫硫、重金屬污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽視的作用。

（2）海水淡化。

普通的海水淡化處理技術(shù)條件苛刻，需要高壓、高效能的轉(zhuǎn)化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規(guī)模的處理，并且成本較高，難以有效地解決海水淡化問(wèn)題。如果找到一種高效的產(chǎn)電微生物和特殊的PEM交換膜，那么MFC，就可以達(dá)到海水淡化的目的，而且具有能耗低，環(huán)保和可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。利用MFC淡化海水也將成為具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较騕11]。

（3）便攜式電源。

微生物燃料電池能夠利用環(huán)境中自然產(chǎn)生的燃料和氧化劑變?yōu)殡娔?，用于替代常?guī)能源?？梢詾樗聼o(wú)人駕駛運(yùn)輸工具、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期自主操作提供電源。

（4）植物MFCs。

通過(guò)光合作用，植根在陽(yáng)極室的綠色植物將二氧化碳轉(zhuǎn)換為碳水化合物，在根部形成根瘤沉積物；植物根系中的根瘤沉積物被具有電化學(xué)活性的微生物轉(zhuǎn)化為二氧化碳，同時(shí)產(chǎn)生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能[12]。

（5）人造器官的動(dòng)力源[13]。

微生物燃料電池可以利用人體內(nèi)的葡萄糖和氧氣產(chǎn)生能量。作為人造器官的動(dòng)力源，需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量供給，而人體內(nèi)源源不斷的葡萄糖攝入恰好可以滿足MFC作為這種動(dòng)力源的燃料需要。

5 微生物燃料電池技術(shù)研究展望

MFCs技術(shù)正在不斷成長(zhǎng)并且已經(jīng)在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術(shù)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用?；谄洚a(chǎn)電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）深入研究并完善MFCs的產(chǎn)電理論。MFCs產(chǎn)電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴(yán)重制約了MFCs的實(shí)際應(yīng)用。MFCs中產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，產(chǎn)電呼吸代謝過(guò)程以及利用陽(yáng)極作為電子受體的本質(zhì)是今后的研究重點(diǎn)[14]。

（2）篩選與培育高活性微生物。目前大多數(shù)微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，需要尋找自身可產(chǎn)生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結(jié)合電子傳遞化合物質(zhì)的微生物。今后的研究應(yīng)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生。

（3）優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。研究與開(kāi)發(fā)單室結(jié)構(gòu)和多級(jí)串聯(lián)微生物燃料電池。利用微生物固定化技術(shù)、貴金屬修飾技術(shù)等改善電極的結(jié)構(gòu)和性能。選擇吸附性能好、導(dǎo)電性好的材料作為陽(yáng)極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質(zhì)子的材料作為陰極[15]。

（4）改進(jìn)或替代質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜的質(zhì)量與性質(zhì)直接關(guān)系到微生物燃料電池的工作效率及產(chǎn)電能力。另外，目前所用的質(zhì)子交換膜成本過(guò)高，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。今后應(yīng)設(shè)法提高質(zhì)子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。

6 結(jié)語(yǔ)

MFCs作為一種可再生的清潔能源技術(shù)正在迅速興起，并已逐步顯現(xiàn)出它獨(dú)有的社會(huì)價(jià)值和市場(chǎng)潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學(xué)的不斷進(jìn)步，MFCs必將得到不斷地推廣和應(yīng)用[17]。

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