微生物燃料电池

Contents
1 History of microbial fuel cells development 2 Principle of microbial fuel cells 3 Development bottleneck and improvement methods 3. 1 Electricigens 3. 2 Structures of microbial fuel cells 3. 3 Proton exchange membranes 3. 4 Electrode materials 3. 5 Electrolyte 3. 6 Other aspects
图1 微生物燃料电池工作原理
Fig. 1 The working principle of microbial fuel cells
典型反应如下 : 阳极 :C6 H12 O6 + 6H2 O 阴极 :6O2 + 24H + 24 e
+ -
6CO2 + 24H + 24 e 12H2 O
+
-
3 发展瓶颈及改进途径
微生物燃料电池作为一种新型能源转化装置的 实际应用任重而道远 。除了成本较高外 , 更重要的 是其输出功率密度还很低 。决定 MFCs 输出功率密 [1 ] 度的主要因素是相关的电子传递过程 。 影响 MFCs 电子传递速率的因素有很多 : 微生 物对底物的降解速率 、 电子从微生物到阳极的传递 速率 、 电池内阻 、 质子到达阴极的传递速率 、 氧化剂
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第6期
刘宏芳等 Βιβλιοθήκη Baidu微生物燃料电池
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早在 1934 年剑桥大学 Postgate 对 SRB 的生理 学、 生态学 、 营养需求等进行了系统的研究 。目前 SRB 按氧化氢供体的能力和是否产生芽孢分为两个 属 10 个种 。Hamilton 、 Widdel 和 Pfenning 所发现的 Desulfovibrio ( 脱硫弧菌菌属) 中的 Desulforicans ( 脱 [18 ] 硫脱硫弧菌属) 被认为对金属腐蚀能力最强 。 和丁平等 分别研究了 Desulfovibrio desulforicans 和 Desulfovibrio salexigens ( 需 盐脱硫弧菌) 作为活性微生物的 MFCs 。在无介体的 条件下都实现了产电 , 证明了 SRB 的电化学活性 。 推测其电子传递过程如下 :SRB 以乳酸为碳源 ,将硫 酸盐还原成为硫负离子 ; 而还原态的硫负离子在阳 极上又被氧化成为硫酸盐 ,将电子传递给电极 ,如图 2 ( a) 。
直进展缓慢 。直到 20 世纪 80 年代 , 氧化还原介体 的广泛应用使得 MFCs 的输出功率有了较大提高 , 由此推动了 MFCs 的发展 。但是 , 氧化还原介体价 格昂 贵 、 易流失且部分有毒 , 制约了其进一步发 [2 ] 展 。随后 ,研究人员相继发现某些微生物能在无 介体 的 条 件 下 直 接 将 体 内 产 生 的 电 子 传 递 到 电 [3 — 6] 极 。至此 ,MFCs 的研究获得了突破性进展 。目 前 ,MFCs 研究的主要内容是无介体 MFCs 产电性能 的改善 ,及其在污水处理 、 产氢 、 生物传感 、 生物修复 [7 — 13 ] 等方面的应用 。
[1 ]
。但随后 , 有关 MFCs 的研究一
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化 学 进 展
第 21 卷
已知 应 用 于 无 介 体 MFCs 中 的 单 一 菌 种 有 : [3 ] Shewanella putref aciens 、 Geobacteraceae sulferre2 [4 ] [5] ducens 、 Rhodoferax ferrireducens 、 Pseudomonas [6 ] [14 ] aeruginosa 、Desulfovibrio desulforicans 、Escherichia [15 ] coli 等 。这些细菌能够在无介体条件下向阳极传 递电子的机理不外乎有以下几种 : 通过细胞膜上的 细胞色素传递电子 ; 通过细胞菌毛 、 纤毛 ( 纳米电线) 传递电子 ; 利用自身分泌或代谢产物作为电子传递 介体 。
Ieropoulos 等
[14 ] [19 ]
空气中的氧气作为氧化剂 ,无需曝气 ,因而具有结构 简单和成本低的优点 ,更适于规模化 。 [21 ] K im 等 比较了单室 MFCs 和双室 MFCs 的产 电效果 。对于以厌氧污泥为活性微生物 、 乙醇为底 物的 MFCs , 单室的功率密度比双室高 ( 单室 488 ± - 2 - 2 12mW・ m , 双室 40 ±2mW ・ m ) 。这是因为单室
的供给和阴极的还原反应速率 。针对上述影响因 素 ,下面分别从微生物 、 电池结构 、 PEM 、 电极材料和 电解液等方面介绍近几年有关提高 MFCs 产电性能 的研究进展 。 311 产电微生物
31111 单一菌种
2 基本原理
微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催 乳酸盐和醋酸盐等) 产生 化剂 ,降解有机物 ( 葡萄糖 、 电子和质子 。产生的电子传递到阳极 , 经外电路到 达阴极 ,由此产生外电流 ; 产生的质子通过分隔材料 (质子交换膜 ( PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达 阴极 ,在阴极与电子 、 氧化物 ( 铁氰化钾 、 氧气等 ) 发 生还原反应 , 从而完成电池内部电荷的传递 。图 1 是典型的双室 MFCs ( 由 PEM 分隔) 及其工作原理示 意图 。
收稿 : 2008 年 6 月 , 收修改稿 : 2008 年 9 月 3 通讯联系人 e2mail :liuhf @mail. hust. edu. cn
1 微生物燃料电池的发展简史
微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化 剂 ,将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应 器 。早在 1911 年 ,英国植物学家 Potter 就发现微生 物可以产生电流
Microbial Fuel Cells
Liu Hongf ang
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Zheng Bijuan
( School of Chemistry and Chemical Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) Abstract Microbial fuel cells ( MFCs) are bioreactors which convert chemical energy in the chemical bonds in organic compounds to electrical energy through catalytic reaction of microorganisms under anaerobic conditions. The history and the operation principle of MFCs are present firstly. Currently , real applications of MFCs are limited because of their low power density. This paper reviews the recent advances in MFCs research with emphases on enhancing the power density in respect of the microbes used in MFCs , the structure of the cell , the proton exchange membrane , the electrode and the electrolyte. Some interesting studies about MFCs are offered , such as plant2MFCs , application of biocathode in MFCs , bio2electrochemical denitrification and treatment of toxic wastewater. Key words microbial fuel cells (MFCs) ; power density ; coulombic efficiency ( CE) 4 Latest research directions 411 Plant microbial fuel cells 412 Biocathode microbial fuel cells 413 Denitrification and toxic wastewater treatment 5 Conclusion
31112 混合菌群
尽管单一菌种通常表现出高的电子传递效率 , 但它们生长速率缓慢 , 对底物的专一性很强 。相比 而言 ,混合菌群有许多优点 : 抗冲击能力强 、 可利用 基质范围广 、 底物降解率和能量输出效率高 。通常 用于 MFCs 的混合菌群来自生活污水 、 活性污泥 、 厌 氧颗粒污泥 、 海底 ( 或湖底) 沉积泥 。 3111211 活性污泥 [16 ] 尤世界等 以厌氧活性污泥作为接种体成功 启动了空气阴极微生物燃料电池 ( ACMFCs) 。以醋 酸钠 和 葡 萄 糖 作 底 物 的 最 大 功 率 密 度 分 别 达 到 - 2 - 2 146156mW・ m 和 192104mW・ m ; 底物去除率分别 为 99 % 和 87 % 。他们认为 : 生物燃料电池的启动 实际上是微生物在电极表面形成生物膜的过程 , 也
第 21 卷 第 6 期 2009 年 6 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 21 No. 6 J un. , 2009
微生物燃料电池
刘宏芳 郑碧娟
( 华中科技大学化学与化工学院 武汉 430074)
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摘 要 微生物燃料电池 ( microbial fuel cells ,MFCs) 是一种利用微生物作为催化剂 ,将燃料中的化学能 直接转化为电能的装置 。本文首先介绍了 MFCs 的发展简史和基本原理 ,针对 MFCs 产电性能低的现状 ,分 别从产电微生物 、 电池结构 、 质子交换膜 ( PEM) 、 电极以及电解液等方面着重综述了近几年有关提高 MFCs 产电性能的研究进展 。最后介绍了关于 MFCs 的另一些有趣的研究方向 : 植物 MFCs , 生物阴极 MFCs , 以及 污水脱氮和有毒废水处理 。 关键词 微生物燃料电池 功率密度 库仑效率 中图分类号 : O64612 ; TM911145 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X ( 2009) 0621349207
是转移电子的微生物和其它种群微生物的竞争过 程 ; 电压升高是电极对转移电子微生物选择的结果 。 3111212 产氢菌群 [10 ] Mohan 等 以生物反应器中的厌氧产氢混合菌 为菌源 ,酸性条件下驯化 ,即维持产氢菌群活性的同 时抑制产甲烷菌 。以该驯化富集的产氢菌群成功启 动了双室 MFCs 。稳定运行条件下 , 有机负荷率为 3 11404kgCODΠ mΠ day 时 ,最大输出电压为 304mV ( 外 Ω) 。 电阻 50 3111213 硫酸盐还原菌 硫酸盐还原菌 ( SRB) 是典型的专性厌氧菌 ,主 2要以乳酸作为碳源 , 能将硫酸盐 ( SO4 ) 还原成硫 负离子 ( S ) 。SRB 普遍存在于土壤 、 海水 、 污水等 缺氧环境中 ,是微生物腐蚀及环境污染的主要因素 [17 ] 之一 。