微生物燃料電池及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

李紅獅

（煙臺市環(huán)境監(jiān)控中心 山東煙臺 264003）

微生物燃料電池(M icrob ia l Fuel Ce l,l MFC)是一種以微生物為催化劑,將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置,是生物技術(shù)與電池技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。自1991年出現(xiàn)了利用MFC處理城市污水的報道,證實(shí)了該技術(shù)可用于污水廢水處理。MFC不僅可以從易生化降解的有機(jī)物中獲取電能,也可以從一些難降解的有機(jī)物中獲取電能。下面就對MFC更有效的發(fā)揮實(shí)際應(yīng)用做一個簡要的綜述。

1 微生物燃料電池處理廢水機(jī)制的前景

上世紀(jì)90年代末期，吉姆博士實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)能夠使用細(xì)菌以及已知濃度的乳酸廢水建構(gòu)MFC系統(tǒng)來進(jìn)行產(chǎn)電，在同個時間段，他們又發(fā)現(xiàn)淀粉工業(yè)產(chǎn)生的廢水能維持MFC進(jìn)行持續(xù)產(chǎn)電。2004年，在羅根實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)的努力下，更證實(shí)MFC能在處理生活廢水的同時具有生物產(chǎn)電能力，其產(chǎn)電電功率密度更可達(dá)26 mWm-2，因此，MFC同時進(jìn)行廢水處理和產(chǎn)電這一可行性環(huán)保技術(shù)正式被確立出來。MFC起初由于產(chǎn)電效率低，能量轉(zhuǎn)換率低而并不受到產(chǎn)電學(xué)界的關(guān)注，直到2003年拉貝教授研究團(tuán)隊(duì)通過混菌培養(yǎng)的方式，在不添加化學(xué)電子中介體的條件下，以葡萄糖作為基質(zhì)，其產(chǎn)電電功率密度可達(dá)3.6 Wm-2，如此優(yōu)異的效果將各領(lǐng)域眼光再度吸引到MFC這一研究課題上。當(dāng)前，將MFC更有效的應(yīng)用環(huán)保工程，還需要在以下三個方面進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

1.1 研發(fā)新型微生物燃料電池裝置

MFC在實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的，發(fā)電效率最高的為雙室型電池。傳統(tǒng)的雙室型MFC由于電極之間距離遠(yuǎn)，電池的歐姆損失大，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加，輸出功率下降。目前已報道的使用質(zhì)子交換膜或鹽橋做陰陽極室分隔措施的其它形式的MFC內(nèi)阻一般在幾百到幾千歐姆甚至更高。所以只有通過不斷地實(shí)驗(yàn)及其改進(jìn)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)獨(dú)特的新型雙室型MFC裝置，才能大大減少電池的內(nèi)阻。理論上，只要把電池的內(nèi)阻控制在約為200Ω左右即可。這種內(nèi)阻小的電池構(gòu)型可以大大的提高M(jìn)FC的功率輸出，達(dá)到一定得發(fā)電量。

1.2 研發(fā)新型控溫MFC裝置

溫度是影響產(chǎn)電微生物生長和繁殖的最主要的因素之一，因此溫度對于MFC系統(tǒng)的產(chǎn)電性能的影響較大。為了研究溫度對MFC系統(tǒng)的產(chǎn)電微生物和產(chǎn)電性能的影響，需要不斷改變MFC系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度，為此，在實(shí)際應(yīng)用中，還要設(shè)計(jì)新型控溫MFC裝置，來保證MFC在恒溫下運(yùn)行。

1.3 研發(fā)MFC測試系統(tǒng)

我們基于MFC系統(tǒng)的特點(diǎn)和特殊要求，需要開發(fā)出MFC測試儀等儀器。這些測試儀器的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)處理芯片和電源。儀器的構(gòu)造簡單實(shí)用，為電池系統(tǒng)的性能測試提供了技術(shù)支持。MFC測試儀器的電壓范圍為±10V，電流范圍為±250 mA。儀器的數(shù)據(jù)采集速率為10 kHz。儀器通過USB接口與PC連接并通信。儀器適合于系統(tǒng)的測試和評估微生物燃料電池。

2 微生物燃料電池的其他應(yīng)用

微生物燃料電池除了可進(jìn)行能源生產(chǎn)以及廢水處理外，尚有許多其他應(yīng)用，包含發(fā)酵產(chǎn)氫、微生物電解電池(產(chǎn)氫、產(chǎn)甲酸)、生物傳感器、脫鹽(海水、尿)及生化合成反應(yīng)器等方面應(yīng)用。

2.1 發(fā)酵產(chǎn)氫微生物燃料電池

其原理在于正常狀況下，細(xì)菌分解葡萄糖、淀粉、纖維素發(fā)酵時產(chǎn)生氫氣，氫氣導(dǎo)入于含有化學(xué)催化劑的陽極上反應(yīng)產(chǎn)生電子和質(zhì)子。由于此反應(yīng)系統(tǒng)算是燃料電池系統(tǒng)，但系統(tǒng)中由于具有微生物參與，因此也算是微生物燃料電池之一。

2.2 微生物脫鹽電池

微生物脫鹽電池的基本原理是通過在微生物燃料電池中設(shè)置陰離子交換膜、陽離子交換膜，通過微生物燃料電池的內(nèi)電流使得鈉離子以及氯離子進(jìn)行固定方向移動而脫鹽。與典型的脫鹽技術(shù)相比，微生物脫鹽電池方法簡單，能耗低且效率高。微生物脫鹽電池不僅可應(yīng)用在海水淡化，也可應(yīng)用于將尿液淡化為可飲用水。

2.3 生醫(yī)領(lǐng)域應(yīng)用

微生物燃料電池可應(yīng)用于驅(qū)動超威型心臟起搏器的植入電源，提取部分血糖作為基質(zhì)發(fā)電，可長期運(yùn)行無需替換；也有學(xué)者開發(fā)出微型血糖濃度檢測儀，可植入人體作為生物傳感器，利用血糖維持自我運(yùn)行，同時發(fā)送電磁信號向接受信號儀器傳遞血糖濃度信息，具有長時間監(jiān)測血糖的功能。

3 結(jié)語

綜上所述，微生物燃料電池作為一種利用微生物將有機(jī)物中貯藏的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，其應(yīng)用于廢水處理，相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)處理方式，擁有低成本、高效率、環(huán)境友善性高等特性。此外，其處理廢水過程中伴隨著能源的產(chǎn)生，從長遠(yuǎn)角度來說，是一種可持續(xù)開發(fā)利用的環(huán)保清潔能源，具有很大的研發(fā)前景。微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用雖然還面臨著一些難題需要克服，但近20年來生物技術(shù)的巨大發(fā)展，為微生物燃料電池研究提供了巨大的物質(zhì)、知識、和技術(shù)儲備。所以生物燃料電池有望作為一種有潛力的環(huán)保能源取得重要進(jìn)展，必定能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)及能源危機(jī)做出自己的貢獻(xiàn)。

[1]孫健,胡勇.有廢水處理新概念-廢水處理新概念-微生物燃料電池技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水,2008,02,28.

[2]李輝,朱秀萍,徐楠,黃姜.廢水微生物染料電池產(chǎn)電去污性能研究[J].環(huán)境科學(xué),2011,01,15.

[3]強(qiáng)琳,袁林江,丁擎.微生物燃料電池處理生活污水產(chǎn)電特性研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2010,08,015.