陳丁丁

(武寧縣環(huán)境保護(hù)局,江西武寧332300)

1 引言

環(huán)保生物燃料電池并非剛剛出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)。1910年英國植物學(xué)家馬克·比特首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流,于是他用鉑作電極放進(jìn)大腸桿菌和普通酵母菌培養(yǎng)液里,成功制造出了世界第一個(gè)微生物燃料電池。1984年美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池,使用的燃料為宇航員的尿液和活細(xì)菌,不過放電率極低。傳統(tǒng)的燃料電池是利用氫氣發(fā)電,但從來沒有嘗試使用富含有機(jī)物的污水來發(fā)電。環(huán)保生物燃料電池是一種特殊的燃料電池,以自然界的微生物或酶為催化劑,直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

2 環(huán)保生物燃料電池的工作原理

環(huán)保生物燃料電池(M icrobial Fuel Cell MFC)是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成,中間用質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分開,如圖1所示。環(huán)保生物燃料電池的工作過程分為幾個(gè)步驟:在陽極區(qū),微生物利用電極材料作為電子受體將有機(jī)底物氧化,這個(gè)過程要伴隨電子和質(zhì)子(NADH)的釋放;釋放的電子在微生物作用下通過電子傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)移到電極上;電子通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到陰極區(qū),同時(shí),由NADH釋放出來的質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜也到達(dá)陰極區(qū);在陰極區(qū),電子、質(zhì)子和氧氣反應(yīng)生成水,隨著陽極有機(jī)物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,在外電路獲得持續(xù)的電流[1],其反應(yīng)式如下:

陽極反應(yīng):

陰極反應(yīng):

圖1 生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

3 環(huán)保生物燃料電池的利用領(lǐng)域

3.1 廢水同步的處理與發(fā)電

3.1.1 單一槽設(shè)計(jì)

電池裝置和氫燃料電池有點(diǎn)相似,是一個(gè)圓柱形的樹脂玻璃密閉槽。微生物燃料電池是單一反應(yīng)槽,里面裝有8條陽極石墨棒,圍繞著一個(gè)陰極棒,密閉槽中間以質(zhì)子交換膜間隔。密閉槽外部以銅線組成的閉合電路,用作電子流通的路徑。當(dāng)污水被注入反應(yīng)槽后,細(xì)菌酶將污水中的有機(jī)物分解,在此過程中釋放出電子和質(zhì)子。其中電子流向陽極,而質(zhì)子則通過槽內(nèi)的質(zhì)子交換膜流向陰極,并在那里與空氣中的氧以及電子結(jié)合生成干凈的水。從而完成對污水的處理。與此同時(shí),反應(yīng)槽內(nèi)正負(fù)極之間的電子交換產(chǎn)生了電壓,使該設(shè)備能夠給外部電路供電。單一反應(yīng)槽是微生物燃料電池設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。大部分燃料電池的設(shè)計(jì)以兩反應(yīng)槽為主,分別為陽極槽和陰極槽,在陽極槽中以厭氧方式維持微生物生長;陰極槽中則需維持在有氧環(huán)境下,使電子與氧結(jié)合并且與質(zhì)子形成水分子。而單一反應(yīng)槽以質(zhì)子交換膜連接兩槽,其功能不僅可分開兩槽水溶液,還可以避免氧氣擴(kuò)散至另一槽內(nèi)。兩槽式的電解槽,需以外力方式提供溶氧至陰極,而單一槽微生物燃料電池可以以連續(xù)注水方式將空氣帶入陰極,從而減少通氧設(shè)備的花費(fèi)。在發(fā)電量方面,在實(shí)驗(yàn)室里,該設(shè)備能產(chǎn)生72W的電流,可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇。雖然目前產(chǎn)生的電流不多,但該設(shè)備改進(jìn)的空間很大。從提交發(fā)明報(bào)告到現(xiàn)在,已經(jīng)把該燃料電池的發(fā)電能力提高到了350W,這一數(shù)值最終能達(dá)到500～1000W。技術(shù)成熟后,可以批量生產(chǎn)的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高,可以產(chǎn)生500kw的穩(wěn)定電流,大約是300戶家庭的用電量。

3.1.2 不間斷上流微生物燃料電池

華盛頓大學(xué)的研究人員日前稱,他們把利用廢水發(fā)電的微生物燃料電池技術(shù)又向前推進(jìn)了一步。去年他們已研究出了這一利用廢水發(fā)電的新技術(shù),現(xiàn)在,他們又把新技術(shù)的發(fā)電量比去年提高了10倍。如果利用這一技術(shù)能使發(fā)電量再提高10倍的話,食品和農(nóng)業(yè)加工廠就有望能安裝這種設(shè)備用于發(fā)電,并能為附近居民提供清潔和可再生電能[2]。華盛頓大學(xué)環(huán)境工程學(xué)項(xiàng)目成員、化學(xué)工程助教拉思安晉南特博士在“環(huán)境科學(xué)技術(shù)”網(wǎng)站上介紹了這種不間斷上流微生物燃料電池(UMFC)的設(shè)計(jì)以及工作原理。同過去那些讓微生物在含有營養(yǎng)液的封閉系統(tǒng)中工作的實(shí)驗(yàn)不同的是,安晉南特為微生物提供的是源源不斷的廢水。由于食品和農(nóng)業(yè)加工中會(huì)不停排放廢水。因此,安晉南特的技術(shù)更容易在這些工廠得到應(yīng)用。利用廢水發(fā)電的微生物燃料電池技術(shù),是在陽極室內(nèi)安裝價(jià)格低廉的U型質(zhì)子交換膜,將陽極和陰極分開。廢水中含有的有機(jī)物,可為細(xì)菌群提供豐富食物,使其得以生存和繁衍。這些細(xì)菌在電池陽極電極上形成生物膜,同時(shí)在食用廢水中有機(jī)物時(shí)向陽極釋放電子,電子通過與陽極和陰極相連的銅導(dǎo)線移動(dòng)到陰極,廢水中的質(zhì)子則穿過質(zhì)子交換膜回到陰極,同電子和氧原子結(jié)合生成水。而電子在導(dǎo)線中的運(yùn)動(dòng)過程就形成了人們所需要的電流。繼2005年首次完成了廢水發(fā)電的微生物燃料電池設(shè)計(jì)后,安晉南特新推出的U型設(shè)計(jì)增加了質(zhì)子交換膜的面積、縮短了兩極距離,因此降低了因阻力引起的能耗,使電池發(fā)電能力提高了10倍,每立方米溶液的發(fā)電量從 3W/m3增加到了29W/m3。如果微生物燃料電池系統(tǒng)能夠維持20W/m3的電力輸出,就可以點(diǎn)亮小功率的燈泡。

3.1.3 利用太陽能和光和細(xì)菌的環(huán)保生物燃料電池

Noguera與土木與環(huán)境工程教授Marc Anderson、助理教授 T rina McMahon,細(xì)菌學(xué)教授Timothy Donohue,研究員 Isabel Tejedor Anderson,以及研究生Yun Kyung Cho和Rodolfo Perez合作發(fā)展出一種能在污水處理廠應(yīng)用的大規(guī)模微生物燃料電池系統(tǒng)。目前,研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中,測試管的形狀被做成類似電路的回路。當(dāng)處理廢物時(shí),先把有機(jī)廢水通入管中,作為副產(chǎn)品電子向陽極移動(dòng),然后通過回路流到陰極。另外一種副產(chǎn)品質(zhì)子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中,電子和質(zhì)子與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成水。一塊微生物燃料電池理論上最大可以產(chǎn)生1.2V電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池并聯(lián)和串聯(lián)起來產(chǎn)生足夠高的電壓來作為一種有實(shí)際應(yīng)用的電源。目前該研究小組正在利用他們在材料科學(xué)、細(xì)菌學(xué)和環(huán)境工程方面的優(yōu)勢來最優(yōu)化微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)。

3.2 新型的環(huán)保燃料電池

英國牛津大學(xué)科研人員研制出一種新的環(huán)保生物電池,這種環(huán)保生物電池裝有一種生化酶,可以吸收空氣中的氫和氧來發(fā)電。這種生化酶是從一種需要?dú)錃鈦砭S持新陳代謝的細(xì)菌中分離出來的。這種酶的獨(dú)特之處在于可以與那些如一氧化碳和硫化氫等常規(guī)的電池催化劑并存。這種酶是“生長型”的,因此能夠以價(jià)格低廉、可再生等特點(diǎn)取代傳統(tǒng)價(jià)格昂貴的鉑基催化劑。這種電池消耗的是大氣中的氧氣和氫氣。所使用的酶是從自然界中利用氫氣進(jìn)行新陳代謝的細(xì)菌中分離出來的。這種酶的特性是具有高選擇性,能夠忍受對傳統(tǒng)的燃料電池催化劑具有毒害作用的氣體,例如一氧化碳和硫化氫。研究人員表示,由于這種酶能夠生長,所以對比于其他的氫燃料電池所使用昂貴的鉑催化劑而言,這是一種廉價(jià)的、可更新的環(huán)保燃料電池。

3.3 生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

環(huán)保生物燃料電池還可以造出另一種重要產(chǎn)品,根據(jù)電信號立即測出病人血糖水平的儀器。對于向包括起博器和胰島素生成器等在內(nèi)的可植入電控醫(yī)學(xué)設(shè)備供電來說,環(huán)保生物燃料電池非常有用。這些設(shè)備需要無限的電源,這是因?yàn)楦鼡Q這些設(shè)備的電池可能需要外科手術(shù)。BFC從活的生物體內(nèi)提取燃料(例如從血流中提取葡萄糖)來產(chǎn)生電流。只要生物個(gè)體是活的,這種燃料電池就可以持續(xù)起作用[5]。

4 結(jié)語

盡管環(huán)保生物燃料電池經(jīng)數(shù)十年研究仍距實(shí)用遙遠(yuǎn),燃料電池研究從20世紀(jì)90年代初開始又成為熱門領(lǐng)域,現(xiàn)在仍在升溫階段。幾種燃料電池已經(jīng)處在商業(yè)化的前夜。另外,近20年來生物技術(shù)的巨大發(fā)展,為環(huán)保生物燃料電池研究提供了巨大的物質(zhì)、知識和技術(shù)儲(chǔ)備。所以,環(huán)保生物燃料電池有望在不遠(yuǎn)的將來取得重要進(jìn)展。隨著生物和化學(xué)學(xué)科交叉研究的深入,特別是依托生物傳感器和生物電化學(xué)的研究進(jìn)展,以及對修飾電極、納米科學(xué)等研究的層層深入,環(huán)保生物燃料電池研究必然會(huì)得到更快的發(fā)展。環(huán)保生物燃料電池作為一種綠色環(huán)保的新能源,在生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用的理想必然會(huì)實(shí)現(xiàn)。

[1]韓保祥,畢可萬.采用葡萄糖氧化酶的生物燃料電池的研究[J].生物工程學(xué)報(bào),1992,8(2):203～206.

[2]賈鴻飛,謝 陽,王宇新.生物燃料電池[J].電池,2000,30(2):86～89.

[3]連 靜,祝學(xué)遠(yuǎn).直接微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2005(22):162～163.

[4]尤世界,趙慶良.廢水同步生物處理與生物燃料電池發(fā)電研究[J].環(huán)境科學(xué),2006,9(9):17～18.

[5]寶 玥,吳霞琴.生物燃料電池的研究進(jìn)展[J].電化學(xué),2004,2(1):1～8.