微生物燃料電池應(yīng)用前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

全球能源需求的增長和化石能源的快速消耗，使得新能源開發(fā)變得尤為重要。微生物燃料電池即為一類全新的能源利用方式[1]。通過對微生物氧化-還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移過程的人工控制，使得利用微生物發(fā)電具備了廣泛的應(yīng)用前景。微生物燃料電池可定義為由生物催化的電化學(xué)系統(tǒng)，可將燃料中的化學(xué)能在無氧條件下發(fā)生氧化-還原反應(yīng)的過程中直接轉(zhuǎn)化為電能[2]。在技術(shù)上，通過選擇性離子滲透膜，可將微生物的呼吸作用和發(fā)酵作用隔離，再利用人工控制的電子受體和電子傳輸電路，實(shí)現(xiàn)生物電能的利用。

1 微生物燃料電池

微生物燃料電池中的微生物來源廣泛，例如廢棄物以及廢水中的微生物均可用于發(fā)電。由于它具有可再生能源的特性，近年來在生物能源研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。除了用于發(fā)電，微生物燃料電池還應(yīng)用于具備商業(yè)價(jià)值的化工產(chǎn)品，如有機(jī)酸、醛類以及乙醇等。除此之外，有毒物質(zhì)的分解和廢棄物的處理也是近年來的開發(fā)重點(diǎn)。此類有毒物質(zhì)以及廢棄物可用作發(fā)電過程中的電子給體或受體?？梢姡⑸锶剂想姵氐陌l(fā)展不僅解決了此類有毒、有害廢棄物在處理方面的難題，還將其轉(zhuǎn)變成一種新的能源利用方式。微生物燃料電池在還原反應(yīng)過程中不僅產(chǎn)生了電能，還可產(chǎn)生如乙醇、丁醇等液體燃料，實(shí)現(xiàn)了碳循環(huán)，減少了二氧化碳的排放，在全球碳減排方面發(fā)揮著積極作用。

2 微生物燃料電池的發(fā)電機(jī)理

自然界中的微生物在有氧或者無氧的條件下均可進(jìn)行新陳代謝，即合成代謝和分解代謝。即使具有不代謝性，微生物也會(huì)對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵作用，產(chǎn)生還原當(dāng)量子，并作用于氧化還原載體上，有利于微生物在呼吸作用的過程中產(chǎn)生能量物質(zhì)。微生物在有氧或者無氧條件下均可進(jìn)行糖酵解反應(yīng)，將六碳糖分解成兩分子丙酮酸。然而，糖酵解反應(yīng)對氧氣較為敏感，但無論哪種代謝方式，微生物均會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子，且產(chǎn)生的質(zhì)子會(huì)吸附在具有高能量的氧化還原載體分子上。通過發(fā)酵脫氫作用產(chǎn)生的質(zhì)子，會(huì)利用氧化還原載體向最終電子受體移動(dòng)，形成質(zhì)子的傳輸過程。

然而，最終電子受體在體系中的作用是受到熱力學(xué)限制的。在有氧條件下，由于體系中很強(qiáng)的還原電勢和電負(fù)性，質(zhì)子會(huì)通過由氧化-還原載體組成的電子傳輸鏈向氧氣移動(dòng)，從而引發(fā)氧化磷酸化作用產(chǎn)生三磷酸腺苷ATP。在無氧條件下，其他電子受體分子會(huì)攜帶電子通過氧化-還原載體進(jìn)行傳輸。

同樣，電子傳輸速度也會(huì)受到熱力學(xué)的限制。傳輸速度會(huì)隨著具有高能量的最終還原產(chǎn)物的生成而減慢。由于氧化劑的電正性較低，因此微生物在無氧條件下的代謝能力明顯低于有氧環(huán)境。但在無氧條件下，微生物會(huì)利用體系中的電子產(chǎn)生多種形式的生物能和各類生化反應(yīng)產(chǎn)物。微生物燃料電池的主要作用即利用此類產(chǎn)生的電子，通過電極作為最終電子受體的傳輸媒介而獲得電能。

工作過程中，微生物燃料電池第一步是陽極上微生物催化發(fā)生氧化反應(yīng)而生成質(zhì)子與電子，質(zhì)子會(huì)通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，從而使得陰極和陽極產(chǎn)生電勢差。由于這種電勢差的存在，陽極上的電子會(huì)通過外電路從陽極流向陰極，并與最終電子受體發(fā)生還原反應(yīng)。在電子從陽極流向陰極的過程中，外電路的負(fù)載即可獲得電能。反應(yīng)過程可簡單描述為微生物催化培養(yǎng)基在陽極催化發(fā)生氧化反應(yīng)生成還原當(dāng)量，隨后這些還原當(dāng)量通過電解質(zhì)和外電路的傳輸，最終在陰極發(fā)生還原反應(yīng)[3-5]。

將陽極與陰極隔離開的質(zhì)子交換膜PEM在電池中起到的作用與微生物外膜的作用類似，目的是產(chǎn)生電勢梯度，而電極的作用即為產(chǎn)生類似氧化-還原載體。前者是使電子從陽極流向陰極[6]，后者則是為了協(xié)助電子向最終電子受體進(jìn)行傳輸。電子從產(chǎn)生到流向最終電子受體的驅(qū)動(dòng)力即為微生物氧化-還原載體與電池間的電勢差。微生物在產(chǎn)生還原當(dāng)量的時(shí)候，細(xì)胞膜內(nèi)外就形成了電勢差，即膜電位。

由于膜電位的存在，還原當(dāng)量可穿越細(xì)胞膜并繼續(xù)傳輸，所以膜電位即已成為質(zhì)子動(dòng)力勢。當(dāng)電子到達(dá)陽極時(shí)，陽極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電位。同理，質(zhì)子到達(dá)陰極時(shí)也會(huì)使得陰極含有正電位，由此產(chǎn)生的電極電位差，從宏觀上可反映即電池的電壓。實(shí)際上，電子的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程均是在氧化-還原電位的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的。大量不同種類的培養(yǎng)基可用于微生物燃料電池的陽極電子給體和陰極電子受體。

3 影響微生物燃料電池性能的因素

3.1 影響微生物燃料電池性能的物理因素

微生物燃料電池的物理組件對于調(diào)節(jié)電池發(fā)電效率較為重要，包括電池結(jié)構(gòu)、陽極液的體積、電極材料及電解質(zhì)膜等。通常，如果不考慮電池結(jié)構(gòu)，微生物燃料電池的發(fā)電能力與反應(yīng)器體積無關(guān)，因?yàn)殡姵氐碾姌O間電勢差是由電子給體和電子受體決定的[7]。

電子受體的不同對于電池發(fā)電效率影響較大。氧氣是目前公認(rèn)的生物氧化-還原體系中最好的電子受體。除氧氣之外，F(xiàn)e3+和Mn2+也是目前研究較多的電子受體。相比其他的電子受體，F(xiàn)e3+的發(fā)電能力更為突出，因?yàn)樗邆鋸?qiáng)氧化性、高效的傳質(zhì)速率以及在陰極上具有較低的反應(yīng)活化能。但是，如果采用金屬作為離子受體，同樣存在一定的缺陷和不足，如金屬離子需要及時(shí)補(bǔ)充，金屬的排放會(huì)污染環(huán)境。因此，氧氣依然為電子受體的最佳選擇。

作為電子傳輸?shù)拿浇橹?，電極材料本身的性質(zhì)也會(huì)影響電池的發(fā)電效率。此外，具有電化學(xué)活性微生物的增長也與電極材料有關(guān)。電極材料能否有效接受電子，會(huì)直接影響微生物的代謝速度。在選取電極材料時(shí)，需考慮以下幾方面因素，包括材料本身的導(dǎo)電性、與微生物的適應(yīng)性、在反應(yīng)器溶液中的化學(xué)穩(wěn)定性、高效的電子釋放速率以及長時(shí)間工作的穩(wěn)定性等。

離子交換膜也是影響微生物燃料電池性能的重要部件之一。微生物燃料電池研究初期采用鹽橋進(jìn)行離子交換，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)子交換膜問世，并很快被應(yīng)用至燃料電池領(lǐng)域。由于質(zhì)子交換膜對質(zhì)子的選擇透過性，避免了電池在運(yùn)行過程中由于其他副反應(yīng)的發(fā)生而造成能量損失。盡管仍存在制造成本高昂等不利因素，但就目前而言，質(zhì)子交換膜依然具備廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 影響微生物燃料電池性能的生物因素

除了物理因素之外，微生物自身的特點(diǎn)也影響微生物燃料電池的發(fā)電性能，通常包括微生物的增長、微生物與電極之間的相互作用、電子傳輸?shù)臋C(jī)理及電子穿梭載體等。微生物在陽極的氧化反應(yīng)對整個(gè)電池的性能至關(guān)重要。不考慮反應(yīng)機(jī)理，細(xì)胞外的電子傳輸與電子載體和陽極間的電勢差緊密相關(guān)。

3.3 影響微生物燃料電池性能的運(yùn)行條件

運(yùn)行條件對微生物燃料電池同樣重要，如電子給體的性質(zhì)、有機(jī)負(fù)荷、運(yùn)行時(shí)間、氧化-還原反應(yīng)條件及微環(huán)境等。微生物燃料電池可選取不同種類的培養(yǎng)基作為陽極氧化反應(yīng)的電子給體，并產(chǎn)生原當(dāng)量物。較為簡單的培養(yǎng)基、葡萄糖和醋酸，是應(yīng)用最廣的電子給體。

4 微生物燃料電池的應(yīng)用

在微生物燃料電池運(yùn)行過程中，產(chǎn)生的當(dāng)量還原物在產(chǎn)能和廢棄物治理方面有著多種用途?？傮w而言，微生物燃料電池的應(yīng)用主要包括三大領(lǐng)域：發(fā)電、廢水處理以及高附加值產(chǎn)品再生。

在發(fā)電方面，它可簡述為微生物通過代謝活動(dòng)產(chǎn)生當(dāng)量物，這些還原當(dāng)量物與電子受體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中電子的傳輸過程產(chǎn)生電能；從發(fā)電電池的角度而言，它可描述為物質(zhì)在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，在整個(gè)氧化-還原反應(yīng)進(jìn)行的過程中通過電子轉(zhuǎn)移獲得電能。

對于廢棄物及廢水而言，在特定條件下，它既可以作為電子給體，也可以作為電子受體。無論是在陽極被氧化，還是在陰極被還原，微生物燃料電池對廢棄物和廢水治理都有著明顯的作用。類似地，在電池運(yùn)行過程中，一些氧化代謝產(chǎn)物可作為電子受體，并可生成具有商業(yè)價(jià)值的最終還原產(chǎn)物。

近年來，隨著微生物燃料電池的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出多元化特點(diǎn)，除了上述一些應(yīng)用領(lǐng)域之外，還出現(xiàn)了一些新興應(yīng)用發(fā)展方向，如光合成、碳捕捉、海底沉積物發(fā)電、海水淡化、生物質(zhì)發(fā)電以及生物傳感器等。目前，這些新興應(yīng)用領(lǐng)域還處于探索及發(fā)展階段，需要大量的基礎(chǔ)研究才能最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

總體而言，微生物燃料電池陰極反應(yīng)在環(huán)境治理和生物電化學(xué)合成方面的應(yīng)用受到的關(guān)注與日俱增。在保持電壓的條件下，微生物燃料電池不僅可還原硫、氮以及金屬污染物，還可合成乙醇、丁醇和甲烷等具有價(jià)值的產(chǎn)物。究其根本，在于微生物與陰極電極之間的相互作用可使得一些生物化學(xué)反應(yīng)的活化能降低，從而使其具備一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如果可有效解決電子損失和產(chǎn)物的選擇性問題，將進(jìn)一步加快其推廣的步伐。

5 微生物燃料電池應(yīng)用前景展望

微生物燃料電池因兼有污染物治理及化工產(chǎn)品合成的功用，目前已成為一項(xiàng)環(huán)境友好且發(fā)展迅猛的新型發(fā)電技術(shù)，且涉及諸多應(yīng)用領(lǐng)域的前瞻性研究。微生物燃料電池用以發(fā)電的原料來源極廣，因此具備較好的發(fā)展?jié)摿?。然而，由于?dāng)前技術(shù)所限，微生物燃料電池的制造成本和發(fā)電能力尚無法與現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)相比，因此現(xiàn)階段其尚未得以大規(guī)模應(yīng)用。

考慮到它高昂的造價(jià)，無膜微生物燃料電池應(yīng)為未來發(fā)展的重點(diǎn)。有毒、有害物質(zhì)及污水的處理也是微生物燃料電池的重要發(fā)展方向，應(yīng)在現(xiàn)有研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其環(huán)境治理方面的性能。

在化工產(chǎn)品合成方面，它仍處于初級(jí)階段，諸多關(guān)鍵性問題目前尚未得以解決，仍需開展大量基礎(chǔ)性研究，才能進(jìn)一步拓展其在合成方面的技術(shù)發(fā)展空間，尤其應(yīng)致力于研究來源廣泛且對環(huán)境存在不利影響的物質(zhì)為燃料進(jìn)行產(chǎn)品合成。總體而言，微生物燃料電池的發(fā)展道路依然較長，也會(huì)存在諸多技術(shù)難題有待于研究和解決。

6 結(jié) 論

現(xiàn)階段，人口在不斷增長，能源危機(jī)和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。在當(dāng)前較為嚴(yán)峻的形勢下，考慮到微生物燃料電池技術(shù)在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域的獨(dú)到優(yōu)勢，隨著科技的進(jìn)步，它在不遠(yuǎn)的將來必然會(huì)獲得長足的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。