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        微生物燃料電池的研究及應(yīng)用

        2013-02-01 03:40:32鐘思聰陳婷婷
        商情 2013年2期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)用研究

        鐘思聰 陳婷婷

        【摘要】本文在此通過(guò)對(duì)微生物燃料電池的研究,論述了它的應(yīng)用。

        【關(guān)鍵詞】微生物燃料電池,研究,應(yīng)用

        微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本工作原理是:在陽(yáng)極室厭氧環(huán)境下,有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子,電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效傳遞,并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流,而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極,氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。

        一、作用原理

        參與傳遞電子的介體與微生物和陽(yáng)極之間的作用形式有三種:(1) 微生物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體,介體再將電子傳遞給電極;(2)介體能進(jìn)入到微生物體內(nèi),參加反應(yīng)被還原,從微生物體內(nèi)出來(lái)后再將電子傳遞給電極;(3) 微生物吸附在電極表面,它將反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞給在細(xì)胞表面的介體,再通過(guò)介體傳遞給電極。

        二、研究目的和意義

        目前,我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速。在工業(yè)化快速推進(jìn)過(guò)程中,對(duì)能源的需求和依賴日益增長(zhǎng)。然而,目前支撐著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的化石燃料已經(jīng)難以為繼。因此,發(fā)展新能源和可再生能源,減少對(duì)國(guó)際石油市場(chǎng)的依賴,已經(jīng)成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略性布局。微生物電池不僅用于產(chǎn)生清潔能源,還能凈化污水。污水處理費(fèi)時(shí)費(fèi)錢還消耗大量能量,基本是個(gè)只投入不產(chǎn)出的行業(yè),也是讓各國(guó)政府頭疼的一大難題。因此,又能凈化水質(zhì),又能發(fā)電的微生物燃料電池一旦出現(xiàn),將有望把污水處理變成一個(gè)有利可圖的產(chǎn)業(yè)。微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為陽(yáng)極催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,在廢水處理和新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)電微生物,如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等,但這些菌種均只能在中性條件下產(chǎn)電。理論上,堿性條件可以抑制甲烷的產(chǎn)生從而有利于電能輸出,而且堿性廢水是工業(yè)廢水的重要組成部分。產(chǎn)電微生物如何將有機(jī)物代謝產(chǎn)生的電子傳遞到電極上一直以來(lái)是MFC研究的一個(gè)重要方向,因此,研究堿性條件下的微生物產(chǎn)電機(jī)制對(duì)MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所應(yīng)用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展。他們從污染環(huán)境中分離出一株嗜堿性假單胞菌(Pseudomonas alcaliphila),該菌株在堿性條件下能夠分解有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電能,最佳pH為9.5。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),該菌株在MFC體系中代謝有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸介體(phenazine-1-carboxylic acid,PCA),該介體起電子穿梭的作用從而實(shí)現(xiàn)電子從有機(jī)物到電極的傳遞過(guò)程。

        三、研究?jī)?nèi)容與方法:

        1、微生物燃料電池的菌種群落的培養(yǎng)

        產(chǎn)電細(xì)菌是微生物燃料電池的核心構(gòu)件。產(chǎn)電細(xì)菌的電化學(xué)活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對(duì)于微生物燃料電池中的微生物, 不論是自身具有電化學(xué)活性,還是進(jìn)行種間電子傳遞,對(duì)于它們構(gòu)成的生物群落的研究剛剛開(kāi)始。本項(xiàng)目將依托舟山地區(qū)得天獨(dú)厚的自然地理環(huán)境和豐富的微生物群落,通過(guò)對(duì)海底沉積物的選取和以及細(xì)菌培養(yǎng),以期能夠發(fā)現(xiàn)新型產(chǎn)電細(xì)菌,提高海底微生物燃料電池的功率密度, 并研究其產(chǎn)電機(jī)理。

        2、海洋沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

        微生物燃料電池系統(tǒng)主要包括三個(gè)要素:陽(yáng)極,陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環(huán)境中,海水中含有高濃度的鹽分,工作環(huán)境惡劣,這將對(duì)海洋沉積物燃料電池的構(gòu)件提出了更高的要求。另外,微生物燃料電池的造價(jià)也會(huì)直接影響微生物燃料電池的實(shí)用化進(jìn)程。在微生物燃料電池的使用中,一般使用氧氣做電子受體,碳擔(dān)載的貴金屬納米粒子(Pt)作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽(yáng)極和陰極隔開(kāi)。貴金屬催化劑的使用,提高了微生物燃料電池的成本,并且,海水中的氯離子會(huì)對(duì)Pt催化劑產(chǎn)生毒化作用,這將會(huì)造成微生物燃料電池的效率損失。因此,本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一種新型的微生物燃料電池系統(tǒng),采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物,利用水離解產(chǎn)生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質(zhì),隔絕海水中氯離子對(duì)陰極催化劑的毒化作用這是本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵。

        四、研究目標(biāo)與結(jié)果

        第一部分為對(duì)原有燃料電池的改造:本實(shí)驗(yàn)室原有燃料電池反應(yīng)器多個(gè),但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細(xì)菌,需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長(zhǎng)的密閉培養(yǎng)室。

        第二部分為培育和優(yōu)化產(chǎn)電菌種群落:本項(xiàng)目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物,在燃料電池細(xì)菌培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng),啟動(dòng)并測(cè)試微生物燃料電池的功率密度,以期能夠得到高功率,非硫還原的產(chǎn)電菌種。

        第三部分為陰極催化劑研究:本項(xiàng)目將采用過(guò)渡金屬碳化物為研究目標(biāo),制備出高催化活性的陰極催化劑。理論計(jì)算表明,過(guò)渡金屬表面與氧結(jié)合能過(guò)大,使得由氧分子還原得到的氧原子脫附需要克服大的能量勢(shì)壘,造成了氧還原過(guò)程中的極化損失,是過(guò)渡金屬不能作為氧還原催化劑的關(guān)鍵。過(guò)渡金屬中加入碳化物能夠使得過(guò)渡金屬的d電子帶中心上移,降低氧與過(guò)渡金屬表面的結(jié)合能,促進(jìn)氧還原反應(yīng)的加速進(jìn)行。本項(xiàng)目使用過(guò)渡金屬(Ni W等)鹽與乙醇反應(yīng),生成有機(jī)過(guò)渡金屬化合物膠體,然后加入尿素作為還原劑,在高溫下反應(yīng)生成過(guò)渡金屬碳化物納米粒子,作為微生物燃料電池陰極催化劑。

        第四部分為海洋實(shí)際環(huán)境下微生物燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試:本項(xiàng)目將實(shí)驗(yàn)二所優(yōu)化的產(chǎn)電菌種接種至沉積物燃料電池陽(yáng)極,然后將陽(yáng)極放入至指定海底沉積物中。海洋沉積物微生物燃料電池陰極反應(yīng)室將采用雙極膜與海水隔開(kāi),陰極反應(yīng)室內(nèi)為酸性電解液?;罨鬁y(cè)試海洋實(shí)際環(huán)境下微生物燃料電池系統(tǒng)的功率、穩(wěn)定性以及其它性能。

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