微生物电解池
微生物与生活论文
微生物与生活引言：微生物是指无法肉眼直接观察到的微小生物体，包括细菌、真菌、病毒等。
微生物在生物界中扮演着重要的角色，对人类的生活产生着广泛而深远的影响。
本文将从五个大点分析微生物在生活中的重要性，涉及食品生产安全、环境保护、健康医疗、生物技术和能源开发等方面。
概述：微生物是地球上最早出现的生物群体之一，它们广泛存在于自然界的各个环境中。
通过对微生物的研究和应用，我们可以充分利用它们的特性和作用，推动科学技术的发展和社会的进步。
正文内容：一、食品生产安全1.微生物在食品生产中的重要作用：如发酵、酿造、奶酪制作等。
a.发酵过程中的微生物如酵母菌和乳酸菌，提高食品品质。
b.利用微生物制作食品可以降低食品添加剂的使用。
2.微生物在食品安全检测中的应用：如快速检测大肠杆菌、沙门氏菌等致病微生物。
a.多种快速检测技术的出现提高了食品安全的可控性。
b.基于微生物特异性的检测方法能够快速准确地检测致病菌。
二、环境保护1.微生物在环境修复中的作用：如土壤修复、水体处理等。
a.微生物能够分解有机污染物，降低土壤和水体中的污染程度。
b.微生物的活性能够促进土壤和水体的循环和再生。
2.微生物在生态平衡中的作用：如能量转化和物质循环。
a.微生物参与了各种生物体的新陈代谢，促进能量的转化与储存。
b.微生物在物质循环中具有重要的作用，如氮、磷、硫等元素的转换。
三、健康医疗1.微生物与人体免疫系统的相互作用：如肠道菌群和免疫调节。
a.肠道菌群对人体免疫系统起到重要的调节作用。
b.微生物在免疫系统上的研究有助于疾病的治疗和预防。
2.微生物在抗生素研发和治疗中的应用：如益生菌和抗菌剂。
a.益生菌可以帮助调节肠道菌群，提高免疫力。
b.抗菌剂在医疗领域中的应用能够有效治疗细菌感染。
四、生物技术1.微生物在基因工程中的应用：如重组蛋白生产和基因治疗等。
a.微生物为人类提供了丰富的基因资源，可以用于合成人类所需的蛋白。
b.利用微生物进行基因治疗可以有效矫正遗传性疾病。
污水处理中的微生物电化学技术
农村污水处理
农村污水处理是微生物电化学技术的又一应用领域。由于农村地区基础设施相对薄弱，传统的污水处 理方法难以覆盖，因此需要一种低成本、易维护的处理技术来解决农村污水处理问题。微生物电化学 技术正是一种适合农村地区应用的污水处理技术。
降低处理成本
该技术的应用可以降低污水处理 过程中的能耗和物耗，从而降低 处理成本，提高经济效益。
促进可持续发展
微生物电化学技术符合可持续发 展的理念，有助于推动人类社会 与自然环境的和谐发展。
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资源回收与能源利用
该技术可以将污水处理过程中的有机物转化为电 能或氢能等可再生能源，实现资源的回收和能源 的再利用。
促进生态平衡
微生物电化学技术可以减少化学药剂的使用，降 低对环境的污染，同时促进微生物的生长和繁殖 ，有助于维护生态平衡。
对未来污水处理技术的启示与影响
创新污水处理工艺
微生物电化学技术为污水处理领 域提供了新的思路和方法，有助 于推动污水处理工艺的创新和发 展。
解决方案
针对这些问题，研究者们正在探索新型电极材料、优化反应器设计和提高能量 转化效率的方法，如使用三维电极、优化电解液组成和反应条件等。
成本与经济效益分析
成本
微生物电化学技术的成本主要包括设备 投资、运营维护和人力成本等。目前该 技术的成本相对较高，但随着技术的进 步和应用规模的扩大，成本有望逐渐降 低。
VS
微生物电化学技术去除水体中抗生素的研究进展
微生物电化学技术去除水体中抗生素的研究进展微生物电化学技术去除水体中抗生素的研究进展近年来，随着抗生素的广泛应用，水体中的抗生素污染问题逐渐引起人们的关注。
由于抗生素的广泛应用导致许多抗生素残留在水体中，对环境和人类健康造成潜在风险。
因此，寻找一种高效、低成本、环境友好的方法去除水体中的抗生素显得尤为重要。
微生物电化学技术是一种利用微生物在电极表面的活性产物氧化还原反应来降解水体中有机物的方法。
它是一种全新的技术，可以通过调控电解池，在微生物的作用下，使抗生素分子氧化还原反应，从而将其降解为无毒物质。
由于微生物电化学技术具有高效、低成本、环境友好等优点，越来越多的研究开始关注其在水体中抗生素去除方面的应用。
微生物电化学技术尤其适用于抗生素降解的研究。
研究人员通过选取产电性强、耐受性强的细菌，并与电极表面形成生物膜，形成电化学活性区域。
在适当的实验条件下，细菌能够利用电极作为电子受体供给呼吸和生长过程中所需的电子，同时利用有机物作为碳源进行生长。
在这个过程中，抗生素分子与细菌产生相互作用，从而降解抗生素分子。
研究发现，微生物电化学技术去除水体中的抗生素具有显著的优势。
首先，微生物电化学技术在抗生素降解方面表现出极高的降解率和去除率。
研究人员通过实验证明，微生物电化学技术可以在较短时间内去除水体中的抗生素，且去除率可以达到90%以上。
其次，微生物电化学技术具有低成本的优势。
相比传统的物理化学方法，微生物电化学技术不需要大量的化学药剂投入，节省了成本。
同时，通过微生物的自动修复功能，电解池的寿命可以得到有效延长。
再次，微生物电化学技术是一种环境友好的方法。
生物电化学反应不会产生有害物质和二次污染，对环境没有负面影响。
此外，微生物电化学技术还具有灵活性强的优点，可以灵活调节反应条件，从而适应不同抗生素的降解。
尽管微生物电化学技术在抗生素降解领域已取得了显著的进展，但仍然面临一些挑战。
首先，微生物的选择和电极表面的生物膜构建是微生物电化学技术研究的关键环节。
污水处理中的微生物电解技术
好氧微生物电解技术
在好氧条件下，利用好氧微生物将有机物转化为电能和氢气 。
微生物电解技术的应用领域
污水处理
01
利用微生物电解技术处理有机废水，实现废水的资源化利用和
能源回收。
有机废弃物处理
02
利用微生物电解技术处理有机废弃物，如农业废弃物、城市垃
圾等，实现废弃物的资源化利用和能源回收。
生物能源生产
详细描述
通过微生物电解技术对城市污水进行深度处理，可以进一步降低污染物含量，使出水水 质达到排放标准或回用标准，减少对自然水体的污染，同时也有助于实现城市水资源的
可持续利用。
05
微生物电解技术在污水处理中的 研究进展
新材料与新技术的应用研究
新型电极材料
研究具有高电化学活性和稳定性 的新型电极材料，以提高微生物 电解反应的效率和产物的品质。
反应器材料的选择
选择耐腐蚀、导电性能良好的材料作为电极和反应器材料。
微生物电解反应器的运行与维护
运行条件控制
控制适当的温度、pH值、溶解氧等运行条件，以 维持微生物的正常代谢活动。
微生物膜的管理
定期清洗或更换生物膜，保持电极表面的清洁和 活性。
产物分离与处理
对电解反应产生的气体或沉淀物进行分离和处理 ，以避免对环境造成二次污染。
对于某些难降解的有机物和重金属离子，微 生物电解技术的处理效果可能不佳。
微生物电解技术的发展方向
优化微生物电解装置
通过改进装置的设计，提高处理效率 ，降低能耗。
研究微生物电化学机制
深入了解微生物的电化学性质，为技 术的改进提供理论支持。
拓展应用领域
将微生物电解技术应用于更多类型的 污水，拓展其应用范围。
微生物电解池制氢
微生物电解池制氢微生物电解池制氢的原理是利用微生物在电解质介质中的电化学活性，将底物分解产生的电子转移到阳极上，通过阳极的还原反应产生氢气。
这种制氢方式不仅节约了能源，还解决了废水处理和能源开发的难题，因此备受人们关注和研究。
微生物电解池制氢技术的发展历程微生物电解池制氢技术源于传统的电解制氢技术，传统的电解制氢是通过外加电压将水分解产生氢气和氧气。
然而，传统电解制氢的能源损耗较大，不够环保，而且成本高，限制了其在大规模应用方面的发展。
为了克服这些问题，研究者们开始将微生物的生物电化学活性引入到电解制氢中，逐步发展出了微生物电解池制氢技术。
1990年代初，美国科学家发现了一种能够在电解质介质中产生氢气的特殊微生物，这一发现引起了科学界的广泛关注。
随后，研究者们开始利用这种微生物的生物电化学活性，通过电解方式制氢的研究。
经过多年的努力，他们终于成功地搭建了微生物电解池制氢实验装置，并取得了令人瞩目的成果。
在此基础上，越来越多的研究者开始关注微生物电解池制氢技术，探索其在废水处理和能源生产方面的应用潜力。
逐渐地，微生物电解池制氢技术成为了研究领域的热点之一。
随着科技的不断进步，微生物电解池制氢技术也在不断得到完善，取得了越来越令人满意的成果。
微生物电解池制氢的原理和过程微生物电解池制氢是一种复杂的生物电化学过程，其原理和过程涉及到微生物代谢途径、电解化学反应、底物降解等多个方面。
下面，我们将从微生物代谢途径和电解化学反应两个方面来详细介绍微生物电解池制氢的原理和过程。
微生物代谢途径微生物对底物的代谢途径是微生物电解池制氢过程的关键环节。
通常情况下，微生物可以利用底物进行好氧代谢和厌氧代谢，产生不同的有机代谢产物。
其中，厌氧代谢过程产生的有机代谢产物被认为是微生物电解池制氢的主要底物源。
在微生物电解池中，一般采用产氢菌作为微生物菌种。
这类微生物具有良好的厌氧代谢能力，可以利用底物通过厌氧呼吸途径产生氢气。
微生物电解池原理及其在废水处理中的研究进展
微生物电解池原理及其在废水处理中的研究进展高凯拓;华立锋;陶丽杰;顾国平;朱铭;顾亚萍;徐向阳【摘要】微生物电解池是一种利用电极表面的氧化还原反应,通过电极与微生物间电子强化微生物代谢的技术.这项创新技术逐渐被国内外研究者们所关注,并被用于废水处理及高效产氢方向.本论文主要论述了微生物电解池电极微生物及电子传递机理以及其在废水处理领域的研究进展,并展望了其在该领域的发展方向.【期刊名称】《能源环境保护》【年(卷),期】2016(030)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】微生物电解池;原理;废水处理;研究进展【作者】高凯拓;华立锋;陶丽杰;顾国平;朱铭;顾亚萍;徐向阳【作者单位】中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江大学,浙江杭州310058;中国联合工程公司,浙江杭州310052;中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江菲达环保科技股份有限公司,浙江绍兴311800;中国联合工程公司,浙江杭州310052;中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江大学,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】X703生物电化学系统（Bioelectrochemical system，BES）最早起源于Potter （1911）发现大肠杆菌代谢产生电流，但在此后的一个多世纪里因产电效能低而不被人们所关注。
近几十年来，能源短缺问题日益加剧，环境污染问题凸显，在这样的背景下生物电化学系统在研究领域重获生机，相关报道的研究文献数量呈爆发型增长。
根据外电路是否外加直流电源，一般可将生物电化学系统分为微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）和微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC），。
此外在工业生产领域，微生物脱盐池（Microbial De-salination Cell，MDS）以及微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES）也逐渐被研究者关注。
光发酵及微生物电解池制氢研究进展
光发酵及微生物电解池制氢研究进展崔寒;邢德峰【摘要】H2作为21世纪的新能源已经越来越受到人们的重视,是未来能源革命的主要替代化石燃料的主力军.本文主要探讨总结了光发酵和微生物电解池这两种生物制产氢方式在近5年的最新研究进展,并对于未来的研究方向给予展望.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2016(030)011【总页数】4页(P49-51,56)【关键词】生物制氢;光发酵细菌;微生物电解【作者】崔寒;邢德峰【作者单位】哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TQ91微生物电化学系统是近10年新发展起来的一套高效能量产出系统以及一种废物资源化技术，可以以较少的能量投入之下，将有机废物降解并且生成清洁的能源如H2、甲烷等，这些清洁能源在全球能源结构优化与改革的浪潮下会逐步的替代现有的以化石燃料为主体的现有模式，并将为人类的继续发展起到不可磨灭的作用。
作为一种新型的生物质能源技术，微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）的建立和发展离不开微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）。
MEC技术的兴起，是源于科学家们逐渐意识到单纯的MFC无法为能源结构革命带来深刻的影响，所以，能够在很少电能投入的情况下产生出热值较高的H2和甲烷，所以此项技术在最初被人们称之为“电化学产氢”或“微生物燃料电池耦连产氢”。
通常电解水产氢的电压为2.1V左右，但是通过这这种方式产氢的电压只需要0.3～0.9V[1]。
光合细菌（Photosynthetic Bacteria,简称PSB）是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌的总称，是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物[2]。
水处理技术中电解法对微生物的杀菌机理研究
水处理技术中电解法对微生物的杀菌机理研究电解法是水处理技术中一种常见的杀菌方法。
它利用电解池中的电场和化学反应来消除水中的微生物。
电解法的杀菌机理主要包括直接电解、电解产生氧化还原反应和电解生成活性氧三个方面。
直接电解是指电解法中直接通过电解池的电场作用产生的电流，通过电解的方式破坏微生物的细胞膜结构，从而达到杀菌的目的。
当电流通过水中的微生物时，会产生电导效应，导致微生物细胞内外的电位差增大，细胞膜的脂质双层被电解致破坏，细胞的正常功能受到破坏，最终导致微生物死亡。
电解产生氧化还原反应是指电解法中电解池中的阴极和阳极的电化学反应产生的氧化还原物质，对微生物起到杀菌作用。
阳极处的氧化反应产生的氧气和氯气具有一定的杀菌活性。
氯气能够进入微生物细胞内部，破坏微生物细胞膜上的脂质结构，进而导致微生物死亡。
氧气也能够通过产生过氧化物和活性氧离子等方式引起微生物细胞的氧化反应，使微生物蛋白质、核酸和细胞膜受到氧化破坏。
电解生成活性氧是指电解法中电解产生的活性氧分子对微生物起到杀菌作用。
活性氧可以通过电解水产生过氧化氢、臭氧和超氧阴离子等形式存在。
这些活性氧分子能够进入微生物细胞内部，进行氧化反应，破坏微生物细胞内的生物大分子结构，从而抑制微生物的正常代谢，并导致微生物的死亡。
电解法对微生物的杀菌机理的研究主要集中在研究电解对微生物细胞膜的作用以及电解产生氧化还原反应和活性氧在微生物杀菌过程中的作用。
近年来，随着电化学技术的不断发展，研究者们利用现代电化学中的纳米材料和电极材料，对电解法进行了深入研究。
研究发现，纳米材料能够增加电解反应的表面积，提高电解反应的效率，从而增强电解法对微生物的杀菌效果。
另外，研究还发现，电解法不仅对细菌、病毒等简单微生物有杀菌作用，对一些耐受强氧化剂的微生物也能起到一定的抑制作用。
总的来说，电解法通过直接电解、电解产生氧化还原反应和电解生成活性氧等方式来杀菌微生物。
了解电解法对微生物的杀菌机理，对优化电解法的工艺参数和提高电解法的杀菌效果具有重要意义。
聚苯胺-多壁碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池产氢性能
聚苯胺-多壁碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池产氢性能徐源;陈柳柳;范梦婕;陈英文;祝社民;沈树宝【摘要】采用原位化学氧化聚合法合成了聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料,成功构建了修饰生物阴极型微生物电解池,通过聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料的耦合作用,提高体系产氢性能,并通过对外加电压、电极间距、电解质浓度等外部操作参数的优化,进一步提高体系性能.实验结果表明,修饰生物阴极实现同步处理废水产氢,表现出优于未修饰生物阴极(MEC)的性能.在外加电压0.9V、电极间距3 em、电解质浓度100 mmol/L操作条件下,体系性能最佳.此时聚苯胺-碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池H2产率可达0.83 m3/(m3·d),COD去除率为89.3％,阴极H2回收率为51％.【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】6页(P25-30)【关键词】聚苯胺;多壁碳纳米管;修饰;生物阴极;微生物电解池;产氢【作者】徐源;陈柳柳;范梦婕;陈英文;祝社民;沈树宝【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009【正文语种】中文【中图分类】TK91微生物电解池(MEC)是在微生物燃料电池(MFC)基础上发展起来的一种利用微生物降解废水中有机物并同时产氢的生物电化学技术[1-3]。
MEC中阳极微生物降解底物产生H质子和电子并传递到阴极,在阴极催化作用下H质子接受电子生成H2[4-5]。
2007和2010年，Rozendal等[6]、Jeremiasse等[7]研究发现MEC中生物阴极可以发生生物催化析氢反应,并因自身具有更新能力强、运行条件温和、运行时间长等特点而引起国内外研究者的关注。
微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用
科技研究农家参谋-207-NONG JIA CAN MOU微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用陈偲 袁程鹏（中国农业大学，北京，100193）微生物燃料电池技术(MFC)作为一种新型能源利用技术，因其环保、经济、可再生等性质发展迅速。
文章介绍了MFC 技术的基本原理、构造和特点，概述了MFC 技术在废水处理上的最新应用，并分析了该技术的发展限制因素，并在此基础上展望了该技术的前景。
1 MFC 的基本构造及基本原理MFC 以微生物作生物催化剂，利用有机物在常温常压下进行能量转换。
微生物燃料电池的主要构造分为阳极室和阴极室，质子交换膜将两室隔开。
阳极室常用的材料为不同构型的碳基材料，如石墨片、石墨颗粒等，该材料导电性高，经济易得，具有生物相容性，但内阻较大导致产电率低[2]。
阴极室的材料一般包括生物阴极、电解液阴极，对于单室微生物燃料电池，常是省略阴极，直接以空气作为气相反应室，以氧气为其中的氧化剂，但是氧气反应速率慢，需要额外添加催化剂如铂。
质子交换膜属于阳离子交换膜的一种，其作用在于分隔阴极室和阳极室并且实现质子的迁移。
MFC 的离子交换膜有很多种，如双极膜、超滤膜，以及新型的膜分割材料如磺化聚醚醚酮膜，聚偏二氟乙烯膜，黏土多孔膜等[4]。
但是质子交换膜的导电性高，阻抗低，应用更为广泛。
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。
电子在细胞内转移到细胞膜，由细胞膜转移到阳极表面后，再通过外电路传递到阴极形成电流。
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。
MFC 通常作为封闭系统设备运行，其中阳极室保持在厌氧条件下。
这是为了促进具有电子转移能力的专性厌氧细菌的生长，如地杆菌。
到目前为止，已确定具有参与电子传递能力的细菌燃料来源包括废水、海洋底泥、淡水底泥、土壤和活性污泥等。
MFC 运行的效率取决于基质降解的速率，其理论上的电动势依赖于吉布斯自由能的总体反应，由特定阳极基体与阴极氧化剂的标准还原电位之差计算得出。
外加电压对微生物电解池性能影响研究
材 料 、系 统结 构和操 作 等各 方 面 的深 入研 究 得到 了很 大 的发
展［ ９ ］ 。基于此 ，本文构建 了微生物电解池产氢系统，以乙酸
钠 溶液 为产 氢 底物 ， 研究 ０ ． ６ 、１ ． Ｏ Ｖ 不 同外 加 电压对 ＭＥ Ｃ系
图１ ＭＥ Ｃ试 验装 置
本实验的 ＭＥ Ｃ接种物为福州市某污水处理厂的回流污 泥， 底物为 ｌ ｇ ／ Ｌ的乙酸钠溶液。 ＭＥ Ｃ分别在 ０ ． ６ 、１ ． ０ Ｖ的外
和平均产氢速率（ Ｑ 。 ） 评价 ＭＥ Ｃ系统在一个周期内的产氢效
果 ，计 算公 式 如下 ： Ｑ： 式中： Ｑ 为产 氢速牢 ； Ｌ 为 氢气体 积 ， 为 ＭＥ Ｃ有
ＶＭＥ ｃ ×ｔ
效体 积 ； ｆ 为产气 时 问 ； 其中 Ｑ ｌ ｍ 为产 氯最快 的时 间段 ｔ 产 生 的 产氢速 率 ，Ｑ 。 为整个运 行周 期 的产氢 速率 。
机底物如葡萄糖和乙酸盐，并将 电子和质子转移到阴极 ，以
进 行氢 的释放 反 应【 ５ 】 。这 个反 应 不是 自发 的 ，需要 额 外施 加
电压 ， 理论上需要施加的电压为 ０ ． １ １ ４ Ｖ， 但 由于电极过电压
（ 电压 损耗 ） 的存在 ，实际需 要 大于 ０ ． １ ３ ０ Ｖ 的 电压来 产 生氢
ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｃ ｅ ｌ ｌ ， ＭＥ Ｃ） 作为 一种 新 兴 的“ 绿色 ” 技术 ， 可 以处 理 多种 类 型废 水 ，并 伴 有氢 气 产生 【 ３ 】 ，已经成 为 目前 最具 吸 引 力 的技术 之 一【 ４ Ｊ 。 在 ＭＥ Ｃ中， 阳极 的微生 物群 落会 氧 化有
气袋，每两天更换一次底物 ，实验共进行五个循环 。
微生物电池的原理与应用ppt课件
贵金属Pt
过渡金属大环化合物
金属氧化物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
填料式MFCs
管状ACMFCs 在构型上和操作方式上与污水处理设 备中的生物滤池颇为相似; 填料型MFCs类似于流化床 反应器。
• 1970，生物燃料电池概念确定； • 1980后，生物燃料电池输出功率有较大提
高 • 2002，bond发现特殊微生物地杆菌； • 2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比
利时willy教授在MFC上做了大量研究。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
• 微生物传感器的发展，广泛 工作的MFC使用的原则制定新的生化需氧量传感器在于：①电池产生的电流 或充电之间的污染物浓度呈良好的线性关系;②电池的电流对污水响应速度更 快;③有较好的重复性。
• 作为一个新的水处理工艺 目前，由于燃料有机废水，有机物质循环中的化学能的污水一直是MFC的这 项研究的主要目的，但在研究中，污水处理后的MFC的水质监测结果，以便 为新的污水处理技术开发的研究人员到MFC基本工作原理产生了浓厚的兴趣。 优点：1）可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向；2）为处理污水， 将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。
• 在应用程序开发的前景与微生物燃料电池方面：①替代能源;②传感 器;③污水处理新技术;④利用微生物燃料电池的特殊环境未培养细菌 的富集。
• 替代能源，生物质能 因为MFC将能转化为电能的生物量直接转化 ，机器人、汽车、医疗
微生物电化学脱氯详解
与传统厌氧法对 2,4-DCP 的降解进行了对比， 转化时间缩短了 48h，生物电化学系统的引入 ，使得 2,4-DCP 的转化时间明显缩短，即达到 了较高的转化率。
[9] Watanabe M，Harada K，Carmichael W，et al. Toxic microcystis[J]. CRC, 1996.
MECs
MECs是一种施加外电压以实现某种反应过程或者获得某种产物的 BES 系统，并以氢气或者甲烷的形式回收能量。其基本工作原理 是：在生物电解池中，微生物降解有机质获得的电子，电子经细胞 膜转移到了细胞外的阳极，然后在外加电源提供的电势差作用下经 外接电路到达阴极。在阴极室中，从质子交换膜传递来的质子和电 子结合生成氢气。
微生物电化学系统脱氯研究
汇报人：楚鑫鹏 导师：胡敬平 教授 2015年10月8日
1
研究背景
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微生物电化学阴极脱氯
3 4
微生物电化学阳极脱氯
结论与展望
氯酚类废水的来源和危害
农药、医药、染料、塑料等行业的工艺过程中 来源
氯酚类化合物(CPs)由于其特殊的结构和性质， 被广泛的用作杀菌剂、消毒剂及防腐剂等
生物电化学系统是由阳极室和阴极室两部分组成：阳极室主要是产电微生物， 提供电源；阴极室接种、富集阴极微生物，其不仅要能够耐阴阳极间的电势差 ，还要能够耐受和降解含氯有机物。而来自厌氧污泥中的普通微生物对含氯有 机物这一难降解有毒物质没有足够的耐受力和降解能力。 因此，首先，利用不同浓度梯度的含氯有机物废水驯化厌氧污泥，获得能够降 解含氯有机物的微生物混合菌群；然后，将驯化后的污泥上清液接种到阴极室 （阳极已经成功启动），在阴极室中进一步驯化、筛选，以获得有较高电压、 电流耐受力的微生物菌群。
生物电池的工作原理
生物电池的工作原理
生物电池是一种以微生物代替传统金属电极的新型电池，它的工作原理主要基于微生物代谢过程中的电化学反应。
生物电池通过微生物的代谢活动将化学能转换为电能，这使得生物电池在环保和可持续发展方面具有很大的优势。
生物电池的基本结构由两个电极和微生物组成。
其中一个电极叫作阳极，另一个电极叫阴极。
阳极通常由含有微生物的细菌沉淀物和导电材料组成。
阴极则由传统的金属电极构成。
两个电极之间，存在一个被称为盐桥的电解质介质，它是在阳极和阴极上分别注入水溶液或其他液态介质。
生物电池的工作原理可以分为两个阶段：微生物有机物氧化作用和电荷传递。
首先，微生物有机物氧化作用是指微生物在阳极的生长过程中利用有机物质作为其代谢过程中电子的供给来源。
这个过程会释放出电子，其中一部分电子会通过导电材料和阳极界面上的电极反应，产生电流，并转移到阴极。
这个过程是由活性微生物群落中的细菌完成的。
在第二个阶段中，电子传递过程发生在盐桥中。
阴极上的电子与阳极上的氧化物结合，同时将阴极上的还原剂物质还原成电子。
在盐桥中的离子传输控制着氧化还原反应，同时通过这个过程，微生物在代谢过程中所产生的化学能被转换为电能。
总的来说，生物电池是一种利用微生物代谢活动产生电能的新型电池。
它的工作
原理基于微生物代谢产生的化学反应和电子传递过程，实现了将化学能转化为电能的过程。
生物电池在环保和可持续发展方面具有很大的优势，因为它可以利用许多有机废物作为能量来源，同时减少对环境的污染。
在未来，生物电池有望推动能源领域技术的进一步发展，推进可持续发展的理念。
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氢气回收率
已知由电路电流计算出氢气的回收量，就可以知道实际电流产生多少 氢气。其中，rCat是阴极氢气的回收率。
BEAMR研究中的氢气回收率
氢气回收率
基于氢气的总回收物质的量与理论值之比，产氢效率为：
rCat
nH 2 nCE
整体氢气回收率最大为rH2 =l mol/mol，而对于葡萄糖，氢气产率最大值为 YH2= 0.126 gH2/gCOD。
阴极氢回收 率
整体氢回收 率
氢气回收率
氢气产率代表了基于COD去除的氢气产量，氢气回收率则以更细致的分 析指标表征了系统性能。例如针对特定的底物，氢气的摩尔产量nth为：
nth
bH2/ S VLCS MS
理论上基于COD去除的最大氢气产率(gH2/gCOD)为：
nth YthVLCOD
氢气回收率
(a)为了计算摩尔产量，首先把葡萄糖在厌氧条件下生成CO2的化学方程式配平： C6 H12 O6+ 6H2O→6CO2+12H2 这样，氧化1 mol葡萄糖转移24 mol的电子，生成12 mol的氢气。质量产率如下：
YH 2
12molH 2 mo lg lu
2gH2 molH 2
1mo lg lu 180 gglu
反应器及操作参数优化 双室、单室、连续式加式
操作原理
向
研究高效廉价产氢电极的催化 剂，提高电子的传递速率。
方
进一步优化反应器的结构。
究
扩大底物利用范围。
研
研究采用膜技术对氢气进行选择
性纯化。
MFC系统
1
以阳极微生 物作为催化剂,利 用电化学技术将 废水中有机物的 化学能转化为氢 能的装置。
2
由阳极和阴 极组成,中间用质 子交换膜（PEM） 分开。
第九章 微生物电解池
李永峰 教 授 张 洪 研究生
目录
1
操作原理
2
MFC系统
3
氢气产率
4
氢气回收率
5
能量回收
6
氢损失
7 MEC与MFC系统的差异
操作原理
电解池中与电源负极相连为阴极，阳离子在该极接受电子被还原； 与电源正极相连为阳极，阴离子或电极本身失去电子被氧化。该电解池通 过阳极微生物的作用，将溶液中有机物降解，同时产生氢离子和电子，电 子通过电子载体传递到阳极，再经外电路到达阴极，氢离子通过质子交换 膜或直接通过电解质到达阴极，在外加低电压电源的作用下，在阴极上还 原为氢气。
操作原理
优点一 原料来源广泛 优点二 清洁高效，无二次污染 优点三 应器设计简单，操作条件温和
优点一
优点二
优点三
操作原理
大多数为混合菌，相对于纯菌，混 合菌抗环境冲击能力强、可利用的基质 范围广
采用碳布或碳纸为基材，将催化剂 涂布或采用电沉积技术附着在阴极上
产氢微生物
阴极催化剂
阳极
采用无腐蚀性的导电材料作为阳 极，从阴极的具体形式上可以将阳极 分为平板式和填料型2种
根据安斯沃思的分类系统，运用伯杰细菌鉴定法和洛德的酵母菌 等鉴定法分类鉴定表明，能源性微生物的主要种类是：甲烷产生菌；乙 醇产生菌；氢气产生菌。
3
使用的是自然 界筛选到的微生 物和醋酸。
MFC系统
一个人口为100000的城市的生活污水可产生多少氢气？(a)计算例1 中每年可产生氢气的质量？(b)假设每千克氢气为6美元，这些氢气的价 值是多少？
（a）按例1中的计算结果得到的产氢量如下：
mH 2
300
mgCOD L
500 L 105cap 0.125 gH2
nH 2
V H
2
p
RT
对于已知的底物，较容易计算出底物消耗的质量。假设CS为底物变化的质 量，摩尔质量为Ms，则产率YH2（gH2/g底物）为：
Y H
2
n H
2
M
H
2
VLCS
产氢速率
葡萄糖细菌发酵最多生成4 molH2/mol葡萄糖。(a)将这个结果与MEC系统 最大摩尔产氢量对比。(b)将此结果转化为30℃下的体积产量。
能量回收
• 优点一 质量最轻的元素。
• 优点二 导热性最好的气体，比大多数气体的导热系数 高10倍。 • 优点三 自然界中存在的最普遍的元素。
• 优点四 除核燃料外氢气的发热值是所有化石燃料、化 工燃料和生物燃料中最高的
优点
能量回收
燃烧性能好，与空气混合时有 广泛的可燃范围，而且燃点高，燃 烧速度快。
无毒
利用形式多
优点
可以取消远 距离高压输电
可以以气态、液态或固态金 属氢化物的形式出现
氢气可以减轻燃料自重
能量回收
（一）异养细菌发酵制氢 （二）厌氧梭菌发酵制氢 （三）混合微生物发酵制氢 （四）活性污泥发酵制氢 （五）光合细菌利用有机废水制氢 （六）微型藻制氢 （七）甲醇制氢
气
氢
究
研
能量回收
能源型微生物主要分类
现在，基于库仑效率和阴极氢气回收的物质的量，就可以解释氢气损失 是如何发生的了。库仑氢气回收率（库仑效率）是基于测量的电流，计算得 到的氢气物质的量nCE为：
t
Idt
nCE
t 0
2F
则库仑氢气回收率r CE可以由下式计算得到：
rCE
nCE nth
CE
nCE是电路回收电子总物质的量的一半。同时，nth是完全氧化底物转移电 子总数的一半。因此，氢气库仑回收率r CE与库仑效率相同。
d ·cap
gCOD
k ห้องสมุดไป่ตู้0 6
g mg
365 d
6.84 105 kg
(b)据以上条件，氢气的价值为：
价值 6.84 105 kg $6 $2.75 106 / yr yr kg
产氢速率
特点一
氢的主要来源是 水，以水裂解制 氢应是当代高技 术的主攻方向。
特点二
电解是一种制备 高纯氢气的传统 方法，制得的氢 气的纯度可达 99.9%，但是此工 艺只适用于水力 资源丰富的地区 ，并且耗电量较 大。
gglu 1.06 gCOD
0.126 gH2 / gCOD
(b)利用理想气体定律计算氢气体积得：
YH 2
0.126gH2 gCOD
0.0821L atm 303k mol k 1atm
1molH2 2gH2
103mL L
1570mLH2 / gCOD
产氢速率
氢气回收率
计算方法
最大产氢物 质的量
特点三
在MEC中，人 们已经成功地实 现了由纤维素、 葡萄糖、乙酸、 丙酸、丁酸、乳 酸以及戊酸生产 氢气。
产氢速率
MEC系统的性能可以用多种方法来表征。产氢率就是其中的一个，它基于 COD去除率和YH2(mgH2/mgCOD)：
YH 2
n M H 2 H 2 VLCOD
氢气的物质的量依照下面的公式计算：