图解微生物电池

目前，对深海环境设计的发电装置海底自动 发电机(Benthic Unattended Gen-erators BUGs)、单室反应槽MFC、UMFC等研究已经 取得了重大进展，而原料广泛、操作条件 温和、资源利用率高和无污染等优点使MFC 吸引了能源、环境、航天等各领域的广泛 关注。从理论上看，决定MFC输出功率密度 的主要因素是相关的电子传递过程，近年 来这方面研究的不断突破，有望使MFC 发 展瓶颈得以解决。
• 广泛的应用前景 原料广泛,条件温和而又清洁高效,微生物燃料电 池吸引了能源,交通,环境,航天等各方面的广泛关注。 人们希望研制出可用于宇宙飞船的电池,以宇航员的 生活废物为燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃 料电池如果应用于污水处理,既可分解其中的污染物, 又可产生电力供应自己和周围地区的需要;甚至,在 科幻电影中以天然食物为能源,可以通过"吃饭"来补 充能量的机器人也将成为现实。这是一个梦幻般的 前景,如果实现,我们将可以广泛使用到大量的,高效 的,清洁的能源。
• 1. 对微生物酶的外壳进行修饰,再将其固定到 电极表面从而实现电子的直接传递; 2. 在比微生物细胞更小的尺度上,接使用导 电聚合物固定酶,使导电聚合物深入到酶的活 性中心附近,从而大大缩短电子传递的距离,实 现电子的直接传递; 3. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子,以及 碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸 效应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快 速的电子传递。
从污水处理的研究上看，除了微生物群、质 子交换膜、阴极/阳极材料外，MFC的形状 设计对其性能也有重要影响，管状和上流 式的设计取得了较好效果。此外，现有的 MFC污染处理对象已包括含 N、S、Fe 等化 合物及有机化合物；随着更多的微生物群 得到研究，MFC处理污水的能力将扩展至更 大范围。
• 清华大学环境科学与工程系研究主要：“三合一”微生物燃料 电池的产电特性研究 • 中国科学院过程工程研究所研究主要：研究Geobacter metallireducens异化还原铁氧化物。 • 天津大学化学工程研究所研究主要：生物燃料电池技术研究。 • 上海师范大学生命与环境科学院研究主要：电子传递媒介体在 生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策。 • 上海同济大学化学系研究主要：生物燃料电池 微生物燃料电池 酶生物燃料电池 • 北京科技大学土木与环境工程学院研究主要：利用小球藻构建 微生物燃料电池 • 哈尔滨工业大学市政环境工程学院研究主要：废水同生物处理 与生物燃料电池发电研究
当废旧干电池在土壤中腐烂释放出有毒重金属的 时候，当环境污染已成为每个人都不得不面对的 问题的时候，当“矿物能源枯竭”已不再是天方 夜谭的时候，一种清洁高效的能源走进了人们的 视野，它就是微生物燃料电池。
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。
• 目前已发现的能用于发电的微生物有：泥 细菌，希瓦氏菌，红螺菌，嗜水气单胞菌， 还有大肠杆菌，假单细胞菌，枯草杆菌， 变形细菌等。
利用电极作为唯一电子受体的发现，给MFc的 研究与开发带来光明的前景。因为微生物产电 不是与其生存直接相关的自然选择压力，只是 厌氧呼吸过程的延伸。所以微生物的产电效率 在自然条件下是很低的。因此对现有的产电微 生物进行驯化改良是进一步提高产电微生物的 产电效率重要一步。其主要途径之一是对微生 物进行基因工程改造，例如增加某个基因过量 表达与电极直接接触的膜蛋白，提高电子传递 率。
微生物燃料电池的工作原理图
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微生物燃料电池的优点: 1. 原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种 有机,无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利 用污水等。也就是说,地里的高粱秆,吃剩的香蕉皮,甚至 是洗菜水都可以转变成电能。 2. 操作条件温和。一般是在常温,常压,接近中性的环境 中工作的。这使得电池维护成本低,安全性强 。微生物 的培养通常不需要苛刻的条件,只需要"一箪食,一瓢饮", 而燃料电池也只是加了容器和两个电极罢了。 3. 资源利用率高,无污染。既然微生物可以利用如此多的 有机原料和无机原料,那么就不必担心要像烧火炉一样每 天掏灰,而且不像直接燃烧那么乌烟瘴气,能量利用率也 上了一个台阶。
在废水中，一般含有丰富的有机物质。 利用MFc不仅可以净化水质，还可以发电。因此MFc有望 可以把废水处理变成一个有利可图的产业，是MFC最有发 展前景的方向。最近由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家 logan率领的一个研发小组宣布他们研制出一种新型的微生 物燃料电池，可以把未经处理的污水转变成干净用水和电 源[2 J。只要是富含有机物的地方都可以使用这种电池。不 过，微生物燃料电池最好的用途还是处理污水，假如污水处 理厂使用此类设备，那么它们可以一边处理废水一边发电， 从而大大降低污水处理成本。维持废水处理厂的正常运作 是一件花费相当高的事情，无论对发展中国家还是对工业 化国家来说，处理废水同时又能发电的新燃料电池技术都相 当诱人。随着人类进入工业化以来，各种废水的产量也急剧 增加。根据美国国家发展委员会统计，美国每年需要处理 1．25亿m3的生活污水，处理费用大约为250亿美元，而大部 分的成本都花在维持处理厂运转所需的能源上。因此，若微 生物燃料电池能降低成本和提高发电效率，将会为废水处理 节省庞大的开支。另外MFc还可以用来处理畜牧厂的废 水，养猪废水，工业废水㈣。