李婉君
中山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站
微生物燃料電池技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景探討
李婉君
中山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站
現(xiàn)今時(shí)代的進(jìn)步和科技水平日益提升,科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域成就顯著,其中,微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較快。微生物燃料電池技術(shù)(Microbial Fuel Cell,MFC),是一種先進(jìn)的能源技術(shù),通過微生物催化化學(xué)燃料,如糖或有機(jī)酸等能源轉(zhuǎn)化為電能。微生物燃料電池技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊,本文就其應(yīng)用作相關(guān)探討,期望能為微生物燃料電池技術(shù)的應(yīng)用水平的提高提出一些建議和幫助。
微生物燃料電池技術(shù);相關(guān)應(yīng)用;MFC;廢水的處理
過去一個(gè)世紀(jì)里,化石燃料是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)建設(shè)的重要能源之一,起著必不可少的作用。然而,由于化石燃料是不可再生資源,預(yù)估在未來的百年或百年后將被用盡,勢(shì)必會(huì)造成資源的緊缺。而現(xiàn)階段,化石燃料被大幅度的人工開采利用,這不僅破壞了生態(tài)環(huán)境,使生態(tài)失衡,還加劇了全球氣候變暖,使全球氣候進(jìn)一步惡化。所以,對(duì)新能源進(jìn)行相關(guān)方面的研究開發(fā),是未來科研的重要部分,應(yīng)當(dāng)予以重視。其中,微生物燃料電池,作為新時(shí)代的環(huán)保能源之一,近幾年受到人們的好評(píng),是目前國(guó)際上研討的熱點(diǎn)之一。本文就微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展,及其在生活廢水處理上應(yīng)用作簡(jiǎn)要探討。
微生物燃料電池通過利用微生物分解有機(jī)燃料,將產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。最簡(jiǎn)單的微生物燃料電池,通常由三部分組成,陰極、陽(yáng)極和隔膜。陽(yáng)極上的細(xì)菌分解出有機(jī)燃料,產(chǎn)生質(zhì)子和電子,其中一些電子則通過一組呼吸酶的形式傳遞,細(xì)胞以ATP的形式獲得一定量的能量。另一部分電子則從外部電路被轉(zhuǎn)移到陰極。質(zhì)子則以隔膜為載體被傳遞至陰極,陰極上電子與電子受體彼此間結(jié)合,從而形成閉合回路的環(huán)境。
按照反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),現(xiàn)階段微生物燃料電池有兩種基本的結(jié)構(gòu),即單室和雙室。基于微生物燃料電池的相關(guān)工作原理,可做出多種變型。例如,陽(yáng)極的陽(yáng)離子交換膜和MFC中的陰離子交換膜之間,陰和陽(yáng)兩個(gè)淡化離子室,兩室的離子膜的離子運(yùn)動(dòng)在電場(chǎng)力的作用下,從而達(dá)到淡化的效果,這種變化被稱之為微生物脫鹽電池。
陽(yáng)極室和陰極室由質(zhì)子交換膜(PEM)隔開,陽(yáng)極的表面由細(xì)菌生長(zhǎng),氧化有機(jī)物釋放陽(yáng)極上的電子,并且將質(zhì)子釋放到溶液中去。在陰極上,溶解氧與電子和質(zhì)子則通過曝氣的形式反應(yīng)。
在MFC應(yīng)用中,可生物降解的有機(jī)物在中間得到較為成功的應(yīng)用。目前,常見的MFC的基本結(jié)構(gòu),主要的有有膜單室、無膜單室及常規(guī)雙室三種。結(jié)合MFC生物反應(yīng)器的基本模式和配置及其相關(guān)研究,目前研制了許多新式新型的配置,如管狀填充MFC,MFC堆棧等。在MFC的廣泛應(yīng)用中,由于PEM的成較高,同時(shí)會(huì)增加內(nèi)部阻力,因此,在溶解污染物應(yīng)用時(shí),產(chǎn)生懸浮物的概率很高,往往會(huì)產(chǎn)生異常難聞的異味。此外,有關(guān)探討或研究發(fā)現(xiàn),無PEM的情況下,應(yīng)用中輸出的功率會(huì)增大,不失為一種科學(xué)、合理可行的MFC設(shè)計(jì)方案。
MFC技術(shù)前景十分廣闊,技術(shù)應(yīng)用上新穎先進(jìn)。不僅可以降解相關(guān)有機(jī)污染物,而且可把降解有機(jī)物的能量轉(zhuǎn)化為電能和氫氣,并在不浪費(fèi)電能的前提下,用于生產(chǎn)H2O2等物質(zhì)。大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明,細(xì)菌可以應(yīng)用于分解乳酸廢水與淀粉廢水。此外,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)MFC在處理生活污水時(shí)也能產(chǎn)生電能。
沉積物MFC的優(yōu)點(diǎn)眾多,不僅其建造成本和運(yùn)行費(fèi)用較低,而且其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。在自然水體范圍內(nèi),MFC可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,并在陰極中形成相應(yīng)的生物膜,在氧還原反應(yīng)中起到一種主導(dǎo)作用。沉積物MFC,大多數(shù)情況下不運(yùn)用陰極催化劑,因此其功率的輸出十分有限。因?yàn)槌练e物MFC輸出的功率較低,現(xiàn)階段主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況中提供電力。
根據(jù)MFC的工作原理,在一定濃度范圍內(nèi),MFC輸出電壓或電流與陽(yáng)極基體濃度之間存在線性關(guān)系,因此它常被用于MFC傳感器基礎(chǔ)研究。BOD5的快速檢測(cè)正是利用該原理。此外,傳感器型MFC還能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)UAFB中的沼氣流速、檢驗(yàn)發(fā)酵液環(huán)境中的pH值,從而達(dá)到在厭氧硝化作用的動(dòng)態(tài)變化過程中進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)控目的。
現(xiàn)今時(shí)代的進(jìn)步和科技水平的日益提升,微生物燃料電池技術(shù)的應(yīng)用前景十分地廣闊,在不久的未來相信將會(huì)得到大幅度的應(yīng)用。微生物燃料電池,其技術(shù)水平的進(jìn)一步提高,在造福民生福祉的同時(shí),也有引領(lǐng)時(shí)代的積極意義,影響深遠(yuǎn)。微生物燃料電池技術(shù),是當(dāng)今國(guó)內(nèi)和國(guó)際上熱議的研究課題,仍需國(guó)家予以一定關(guān)注,同時(shí),相關(guān)的科研人員和工作者也要提高工作熱情,進(jìn)行不懈的研發(fā)研究和探討。
[1]Logan BE,Hamelers B,Rozendal R,et a1.Microbial fuel?cells:methodology and technology[J].Environ Sci Teehnol,2006,40(17):5181~5192.
[2]趙麗坤,閆蕾蕾,李景晨等.產(chǎn)電微生物與微生物燃料電池研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(26):14227~14245.
[3]Biffinger JC。Fitzgerald LA,Ray R,et a1.The utility of She—wanella japonica for microbial fuel cell[J].Bioresour Technol,2011,102(1):290~297.
[4]Strycharz SM,Glaven RH。Coppi MV,et a1.Gene expres?sionand deletion analysis of mechanisms for electron transfer from?electrodes to Geobacter sulfurreducens[J].Bioelectrochem,2011,80(2):142~150.