微生物燃料電池研究進(jìn)展

呂 東

(山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站(有限公司)，山西 太原 030032)

引 言

能源是人類生產(chǎn)生活不可缺少的動(dòng)力，然而在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的過程中，能源的供求關(guān)系變得越來越緊張，與此同時(shí)傳統(tǒng)化石能源消耗造成的不良后果也隨之加重：由于CO2等溫室氣體的大量排放，致使全球溫度升高，南、北極冰川融化，海平面上升，將帶給沿海城市不可逆轉(zhuǎn)的破壞；日益嚴(yán)重的大氣污染、水污染、土壤污染，使得人類的生存環(huán)境每況愈下。為了緩解這種狀況，人們不斷提出可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，其中微生物燃料電池以其環(huán)境污染小、操作條件較溫和等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為一種受到多方關(guān)注的清潔能源[1-3]。

1 微生物燃料電池(MFCs)工作原理

燃料在陽極室內(nèi)，通過微生物代謝被氧化，所得電子依靠合適的電子傳遞介質(zhì)在陰極和陽極之間進(jìn)行有效的傳遞，并通過外電路到達(dá)陰極形成電流。所形成的的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。氧化物在催化劑的作用下在陰極室內(nèi)被還原，最終與到達(dá)陰極的質(zhì)子結(jié)合成水[1-4]，MFCs工作原理見圖1。

2 微生物燃料電池(MFCs)的研究進(jìn)展

為提高M(jìn)FCs的產(chǎn)電量、功率密度以及電流密度，同時(shí)為了更有效地降低其成本，早日實(shí)現(xiàn)MFCs的規(guī)?；瘧?yīng)用以及其實(shí)際應(yīng)用。近年來，研究者不斷提出各種解決方案，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化MFCs的性能參數(shù)，包括催化劑、生物膜、底物的使用、電極材料及其構(gòu)造，工作操作條件(溫度，pH)等，從而改善MFCs的整體性能。

圖1 微生物燃料電池工作原理圖

2.1 催化劑影響研究

MFCs中催化劑是用來提高系統(tǒng)微生物的活性，從而加強(qiáng)微生物處理污染物的能力。不同的催化劑影響不同，Li Xiang, Hu Boxun等[5]討論了含有OMS-2結(jié)構(gòu)的錳的氧化物作為陰極催化劑的影響。在長(zhǎng)達(dá)400 h的實(shí)驗(yàn)過程，OMS-2在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化活性，其內(nèi)阻[(18(±1) Ω)]同傳統(tǒng)鉑(Pt)陰極催化劑(17 Ω)相似，但前者的有機(jī)底物去除效率是后者的兩倍，但二氧化錳的成本卻是Pt的5%。Nguyen Minh-Toan , Mecheri Barbara等[6]，則提出使用鐵螯合物作為MFCs氧化還原反應(yīng)中的電催化劑的概念。使用了兩種螯合劑乙二胺二鄰羥苯基乙酸(EDDHA)和二乙烯三胺五乙酸(DTPA)，并選擇炭黑(C)及碳納米管(CNTs)作為載體。FeE/CNT作為陰極催化劑更具有活性，它的處理效果以及產(chǎn)電量更高。與Pt/C催化劑相比，F(xiàn)eE/CNT的性能略低，但其成本卻比同等規(guī)模的Pt低得多。而Rosenbaum Miriam, He Zhen等[7]，另辟蹊徑，提出一種新的理念——光合微生物燃料電池，即photoMFCs。目前，最有前景的photoMFCs是電催化生物電化學(xué)系統(tǒng)(BESs)，它能夠光合作用產(chǎn)生氫，可以轉(zhuǎn)化藍(lán)藻或植物排出的有機(jī)物。同時(shí)，陰極可為電催化的還原反應(yīng)提供氧氣。

2.2 生物膜影響研究

生物膜的生長(zhǎng)對(duì)MFCs的電化學(xué)性質(zhì)有很大影響，隨著生物膜的成熟及微生物的豐富和生長(zhǎng)，微生物會(huì)逐漸適應(yīng)環(huán)境，從而使得產(chǎn)電量增加，同時(shí)極化電阻降低。與此同時(shí)，為了獲得一個(gè)較大的輸出功率或輸出電流，陽極的電勢(shì)應(yīng)該盡可能低，陰極電勢(shì)盡可能高，即一個(gè)低的陽極電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)更高的燃料電壓[8]。 Lee Duu-Jong, Liu Xian等[9]，為了解決MFCs在除硫過程中，由于缺少硫化物的電子受體，導(dǎo)致過剩硫化物在反應(yīng)器聚集的問題，培養(yǎng)了SRB+SOB陽極生物膜，實(shí)現(xiàn)硫酸鹽→硫化物→基態(tài)S0的過程。在研究中發(fā)現(xiàn)，該生物膜縮短了硫離子的轉(zhuǎn)移距離，從而降低了極化電阻，增加了MFCs的性質(zhì)。而Shahgaldi Samaneh, Ghasemi Mostafa等[10]，則通過PVDF/Nafion(聚偏氟乙烯/全氟磺酸)納米復(fù)合材料質(zhì)子交換膜來提高M(jìn)FCs的性能。Shen Hai-Bo, Yong Xiao-Yu等[11]，通過在MFCs接種的假單胞菌添加槐糖脂的方法，改善綠膿素生產(chǎn)以及膜的滲透性，最終增加生物電的產(chǎn)生。

2.3 底物影響研究

底物的使用直接影響微生物活性，從而影響整個(gè)反應(yīng)過程。在最初幾年，醋酸和葡萄糖等簡(jiǎn)單底物被廣泛使用。但近幾年，由于簡(jiǎn)單底物的成本不斷增加，研究者正在使用一些非傳統(tǒng)底物，一方面是為利用廢棄的生物質(zhì)以及處理廢水；另一方面則是為了提高M(jìn)FCs的電產(chǎn)量。從可再生和廢棄的生物質(zhì)中獲得生物能源，具有很大的潛力，不僅使其自身得到能源滿足，而且可以較少與糧食生產(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。如今的MFCs使用的底物應(yīng)該具有很強(qiáng)的復(fù)雜性以及穩(wěn)定性，即較高的有機(jī)負(fù)荷。當(dāng)一種簡(jiǎn)單底物容易降解時(shí)，一個(gè)復(fù)雜而穩(wěn)定的底物可以幫助建立一個(gè)多樣的、電化學(xué)活性好的微生物群體，以致提高系統(tǒng)的電力和氫的輸出。但在使用復(fù)雜底物時(shí)，需要建立包含分離、轉(zhuǎn)化、處理以及MFCs相結(jié)合的體系，使一個(gè)單元的流出物作為另一單元的底物，繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，最終達(dá)到更好地處理效果[12-13]。

2.4 電極影響研究

一個(gè)好的電極材料和構(gòu)造是可以為生物附著提供大的表面積和確保電流的有效收集，電極的成本以及性能是MFC反應(yīng)器設(shè)計(jì)中最為重要的部分，如今，許多電極材料以及其結(jié)構(gòu)得到發(fā)展和測(cè)試，目的是提高M(jìn)FCs的性能和降低電極材料的費(fèi)用[14]。1) 電極材料。對(duì)于大多數(shù)種類的電極，它們的基本材料要求是具有良好的導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的機(jī)械強(qiáng)度以及低成本。碳電極以及其他的無腐蝕性金屬[15]因都具有這些基本屬性而被廣泛應(yīng)用。但這些基本材料只能提供支撐和集電器的作用，高的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度無法滿足，同樣也無法為微生物提供好的棲息地。所以新的電極材料開始研究并發(fā)展。如，生物電極[16]，生物電極的作用不僅是為了導(dǎo)電，而且它還是微生物的載體。2) 電極結(jié)構(gòu)。電極結(jié)構(gòu)對(duì)提高M(jìn)FCs的性能以及其規(guī)?；呛苤匾?。根據(jù)電極的構(gòu)造，傳統(tǒng)使用的電極被分為平面電極和三維電極。相對(duì)于平面構(gòu)造，三維構(gòu)造[17]可以為微生物附著提供較大的表面積、高孔隙度以及良好的集電作用；對(duì)于平面電極[18]因其擁有大的比表面以及吸收容量，所以能夠達(dá)到最佳的除硫效果以及產(chǎn)能效果，且價(jià)格相對(duì)較低。

2.5 工作操作條件影響研究

MFCs性能在不同pH、溫度的工作操作條件下表現(xiàn)不一樣。初始pH值對(duì)產(chǎn)電性質(zhì)幾乎沒有影響，而在操作過程中陽極pH值卻是至關(guān)重要的；當(dāng)陽極pH值控制在7.3時(shí)，MFCs系統(tǒng)獲得最好性能；當(dāng)環(huán)境pH值超過9，或者低于6時(shí)，電流會(huì)下降，這是因?yàn)?，環(huán)境pH的改變會(huì)影響到微生物的酶促反應(yīng)，酶促反應(yīng)都有一個(gè)最佳pH范圍，在該范圍內(nèi)，酶的活性最好，微生物的反應(yīng)也最為迅速，產(chǎn)電量也會(huì)最優(yōu)，一旦超過該范圍，酶的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生不可逆變化，導(dǎo)致微生物活性降低，產(chǎn)電量也會(huì)下降；同時(shí)pH值得變化也會(huì)影響生物膜的形成。Ahn Youngho, Logan Bruce E[20]研究了在室溫[23(±3)℃]、中溫[30(±1) ℃]的操作條件下，MFCs處理生活污水時(shí)的效果。使用溫控(室溫-中溫)連續(xù)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)在處理城市生活污水中有很大優(yōu)勢(shì)，如，低能耗、低污泥產(chǎn)量以及高處理效果。

3 展望

目前MFCs還不能進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，仍處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段，主要是因?yàn)槠浯嬖诔杀靖?，能量回收效率低、發(fā)電量低等問題。

1) 在催化劑方面：通過尋找廉價(jià)且催化性能好(通過使用填充材料改善其孔徑或者表面積)的催化劑原料來解決現(xiàn)行的催化劑成本高、催化活性不穩(wěn)定性及低效性等問題。

2) 在生物膜方面：生物膜生長(zhǎng)對(duì)MFCs的電化學(xué)性質(zhì)有很大影響，隨著生物膜的逐漸成熟，MFCs的電化學(xué)活性在逐漸加強(qiáng)；但由于生物膜的通透性以及穩(wěn)定性影響了電子的運(yùn)輸以及胞外電子的轉(zhuǎn)移，從而使得MFCs性能有所欠缺，可通過尋找填充物質(zhì)(如，納米纖維、槐糖脂等)或者使用表面活性劑擴(kuò)大生物膜的通透性，從而改善電子的轉(zhuǎn)移速率，提高M(jìn)FCs性能。

3) 在底物方面：由于近幾年如葡萄糖等簡(jiǎn)單底物的成本不斷增加，所以提出尋找一些復(fù)雜底物，如，廢水中的大量生物質(zhì)或者廢棄的半固態(tài)生物質(zhì)，這樣既可以節(jié)省成本，同時(shí)還可以降低環(huán)境污染以及提高產(chǎn)電量。但與此同時(shí)復(fù)雜底物可能帶來一系列問題，其中最主要的可能是會(huì)生成混合電位，從而擾亂內(nèi)部電流的流動(dòng)，這一缺陷可能影響電極性質(zhì)，使得產(chǎn)電量的下降。

4) 在電極方面：電極材料以及電極結(jié)構(gòu)都會(huì)影響電極的性質(zhì)，從而影響整個(gè)MFCs的性能。目前電極的主要問題是成本高以及穩(wěn)定性差，通過實(shí)驗(yàn)尋找新的廉價(jià)的電極材料或者通過改善電極結(jié)構(gòu)，以改善其成本高的缺點(diǎn)，同時(shí)改善其電催化活性，從而改善MFCs的性能。

5) 在工作操作條件方面：pH、溫度等變化，會(huì)引起MFCs性能的改變。如，pH、溫度均會(huì)影響微生物酶的活性，可以通過設(shè)計(jì)一系列pH、溫度梯度研究，從而選取合適的參數(shù)，改善MFCs性能。