微生物燃料电池文献综述复习过程

一．前言微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。

其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水[1]。

随着环境问题和能源危机的日益严重,微生物燃料电池作为一项新型的污水处理和能源回收技术引起了国内外广大研究者的关注,并对MFC的产电机理、产电微生物、电子传递机理、反应器结构、电极材料等进行了广泛的研究。

有研究表明,影响MFC产电的主要因素有:产电微生物、外阻、基质种类和浓度、溶液的pH、温度、缓冲溶液等。

为了更好地研究阳极,微生物燃料电池的阴极大多采用非生物阴极,如在阴极添加Pt作为氧气还原的催化剂以及采用过渡金属(Fe或者Co)化合物、铁氰化钾溶液等[2]。

二．现阶段对微生物燃料电池的研究成果钟登杰等[3]认为虽然非生物阴极具有良好的产电性能,但也存在催化剂价格昂贵、容易失效、需要经常替换等缺点，限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。

于是，研究者们开始致力于开发一种能够可持续发展的微生物燃料电池。

其中，生物阴极微生物燃料电池由于具有建造和运行费用低、可持续发展性强、可产生有用物质或者去除无用的化合物等优点而引起研究者们的关注。

作者搭建了一个生物阴极微生物燃料电池,并以输出电压和库仑效率(CE)为指标，考察了外阻、基质浓度、缓冲溶液对MFC产电性能的影响。

研究结果表明①当外阻≥50Ω时MFC能稳定运行。

MFC的CE随着外阻的减小而增加。

②随着基质初始浓度的增加,MFC稳定运行的时间延长,但CE会降低。

③添加缓冲溶液有利于提高MFC的输出电压和CE,使阴极和阳极溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。

易丹等[4]研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果。

结果表明，MFCs中能量的输出与底物的种类有关，使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43V和0.39 V，最大功率密度分别为36.03和6132 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物。

MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物，288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%，NH3-N的去除率分别为90.31%和86.20%。

扫描电镜发现，2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著，以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌；以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌，表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同。

张玲等[5]写道：通过试验发现，以硝酸盐为电子受体的 MFC 在间歇运行过程中，阴极出现了不同程度的亚硝酸盐积累，由于亚硝氮对水质会造成不利影响，同时会降低阴极电势进而影响 MFC 产电，需采取措施加以克服。

本研究在考察负载大小、进水特性(包括硝酸盐浓度和有机物浓度)对双筒型 MFC 产电和反硝化能力的影响基础上，提出抑制亚硝酸盐积累的措施。

研究表明：① MFC电流越大，硝酸盐去除速度越高，但亚硝酸盐的积累现象明显。

当外电阻从50Ω下降到5 Ω，硝酸盐去除速率由 0. 26 mg/(L·h)上升到0. 76 mg /(L·h)，在外电阻为5Ω时，亚硝氮积累浓度达 55 mg/L。

②硝酸盐起始浓度在 20 ～ 120 mg/L时硝酸盐去除速度基本相同，此时硝酸盐去除满足0级反应。

③有机物的加入能提高阴极反硝化速度，避免亚硝酸盐积累，有机物COD浓度在30 ～ 270mg / L时对MFC产电影响不大。

陈立香等[6]认为根据厌氧、好氧操作体系的不同将生物阴极进行分类；归纳总结了微生物组成、电极和分隔材料的研究进展，探讨了生物阴极在去除污染物和生成高附加值产品中的实际应用，并提出了其将来发展的可能方向。

黄丽萍等[7]简要介绍微生物燃料电池研究现状基础上，系统综述了该技术及与其他技术耦合在生物质能利用方面的最新研究进展，重点分析了其中存在的问题，并展望了该技术在生物质能转化和利用方面的研究前景。

G.S.Jadhav等[8]介绍了对微生物燃料电池性能的影响的几种重要自然因素。

詹亚力等[9]以醋酸钠水溶液为原料，构建了一个无媒介体、无膜的单室微生物燃料电池，考察了溶液的浓度、外电阻、温度和氧气的加入等因素对电池性能的影响,监测了电池外电压和两极电极电势的变化过程，分析了微生物燃料电池的运行机理。

研究结果表明: ①阳极吸附的微生物的活性是影响电池输出电压(输出功率)的关键因素。

营养液初始浓度越高，微生物活性越高，输出最大电压越高，输出电压与浓度之间的关系符合MONOD方程;溶液中溶氧的存在使微生物活性明显降低，但溶氧浓度降低到一定程度后，活性逐步恢复；随着电池温度的升高，微生物活性快速上升，但温度突变到50e后，微生物活性明显降低；②电池换水后,由微生物活性所决定的阳极电势迅速达到平衡,而阴极电势需要较长的时间才能达到极大值；③随电流密度的变化,两极电极电势相应发生变化，其变化趋势符合原电池的基本规律；④随外电阻的变化，电池输出功率出现极大值，即当外电阻为200Ω时，电池输出功率达到346 mW /m²。

冯玉杰等[10]以多孔碳纸为阳极,耐水性电催化材料为阴极，设计了无媒介双室微生物燃料电池(MFC)。

以厌氧污泥为出发菌株,乙酸钠为底物,外接一定负载条件下,进行MFC产电过程研究。

分别研究进水质量浓度在800 mg/L, 1200 mg/L, 1600 mg/L, 2000 mg/L,以及在外电阻条件为400Ω、600Ω、800Ω、1000Ω,水力停留时间48 h时，负载两端的电压、功率密度、电化学池中生物量(VSS)和出水COD的变化规律。

结果表明，进水质量浓度升高时,阳极池内生物量减少, COD去除率降低，MFC功率密度提高。

在进水乙酸钠质量浓度为2000 mg/L时，MFC最高功率密度为35171 mW /m²,电流密度为345 mA/m²。

外电阻阻值降低后，平均出水COD升高，MFC电流升高，阳极池微生物产电能力增强。

得出了这样的结论：①MFC 在去除有机废水COD的同时,可以产生生物电能,本研究中,功率密度可达35171 mW /m²。

②负载一定的情况下,增加进水质量浓度无介体双室MFC的输出电压升高,阳极生物量减少, COD去除率降低，单位生物COD去除量增加。

③进水质量浓度不变,随着外电路负载降低，开始电路中电流基本无变化。

当负载降低到6008时，电流增大。

此过程中反应器COD去除能力下降,微生物产电能力明显加强。

④载铂碳纸作为阴极材料时，性能明显优于钌钛阴极，相同条件下，负载两端电压可升高83%。

张乐华等[11]研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素，并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。

以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极MFCs的启动时间为150～200 h，运行稳定时，最高电压达600mV。

研究表明，该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应，其NO3－-N的生成速率为0.79m/(L·h)，NO2-－N 最高质量浓度为1.56mg/L；阴极进水中NH4－-N 以及Do 浓度均是重要影响因素；对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明，铁锰氧化细菌为7.5×106MPN／mL，硝化细菌为9.3×105 MPN／mL。

三．对微生物燃料电池的展望由于具有生物和电化学催化的双重功能，生物阴极已在污染物处理与资源回收等方面表现出了较佳的性能，目前已成为 MFCs 研究的重要方向之一，但由于起步较晚，生物阴极的相关研究报道相对不多，尤其是生物阴极研究中缺少如阳极体系中Geobacter- sulfurreducens、Shewanellaoneidensis等模式菌株，可以用来研究电极反应机理。

目前，研究者对生物阴极微生物的作用机理尤其是电子传递机制还不够了解，限制了其功能的提高并进而影响了实际应用[12]。

关于生物阴极下一步研究的重点包括如下几个方面: ①通过使用基因和蛋白质的分子生物学技术( 如基因组学技术、蛋白质二维电泳等) 深入研究阴极微生物组成、演替和功能；②在微生物学基础上，结合现代分析化学与电化学分析技术，阐明污染物代谢途径和阴极-微生物电子传递机制；③探索高效、低成本的阴极和隔膜材料，从而在提高生物阴极处理效率的同时降低构建成本，以利于生物阴极的推广应用；④应用微生物电合成阐明微生物的代谢途径及微生物与电极表面的相互作用，扩展了生物电极的功能化，为基因工程改造产电菌从而提高整体微生物燃料电池的性能提供理论依据，也是未来一个重要的发展方向[13]。

MFC 自身潜在的优点使人们对其在生物质能转化利用的发展前景看好。

目前，MFC 的研究主要集中在两方面：①通过分子生物学和基因工程技术剖析细胞与电极间的相互作用，改进和调控电活性微生物细胞，降低或去除电子转移过程的屏蔽作用或阻力，以及反应器构型的改进，以期进一步提高 MFC 产电功率和生物质能利用效率；②开展 MFC 产业化研究[14]。

从废弃物的利用角度看，MFC 已具实际应用价值。

但目前 MFC 制造成本偏高，使得经济价值降低。

昂贵的阴极催化剂和阴极材料是 MFC 成本高的主要原因。

寻找高性能、低成本化学催化剂和阴极材料以及生物阴极是MFC生物质能利用的发展方向。

在生物质来源方面，废水类生物质可以被 MFC 有效利用。

对纤维类生物质特别是植物纤维，消除或减轻预处理或降解后生成的酚类、呋喃类等抑制剂对生物活性的影响是 MFC资源化利用过程中需要重点解决的问题。

最后，结合 MFC 现有性能和特点发展起来的电能和化学品联产耦合过程如 MFC 副产 H2O2、利用 CO2的MFC 副产甲烷或有机物等是 MFC 发展的新方向。

结合双室 MFC 膜结构性能和特点开展起来的MFC 海水淡化技术以及 MFC 生产碱技术，也拓展了 MFC 的发展空间和应用范围。

近年来，微生物技术、纳米材料技术、电化学技术、化学和环境工程的巨大发展和进步，为 MFC 研究提供了有利的物质、知识和技术储备。

因此，在不远的将来MFC 有望在生物质能的高效转化和利用方面取得重要进展[15]。

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