呂 東

(山西省交通環(huán)境保護中心站(有限公司)，山西 太原 030032)

引 言

能源是人類生產生活不可缺少的動力，然而在經濟飛速發(fā)展的過程中，能源的供求關系變得越來越緊張，與此同時傳統(tǒng)化石能源消耗造成的不良后果也隨之加重：由于CO2等溫室氣體的大量排放，致使全球溫度升高，南、北極冰川融化，海平面上升，將帶給沿海城市不可逆轉的破壞；日益嚴重的大氣污染、水污染、土壤污染，使得人類的生存環(huán)境每況愈下。為了緩解這種狀況，人們不斷提出可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，其中微生物燃料電池以其環(huán)境污染小、操作條件較溫和等優(yōu)勢，逐漸成為一種受到多方關注的清潔能源[1-3]。

1 微生物燃料電池(MFCs)工作原理

燃料在陽極室內，通過微生物代謝被氧化，所得電子依靠合適的電子傳遞介質在陰極和陽極之間進行有效的傳遞，并通過外電路到達陰極形成電流。所形成的的質子通過質子交換膜到達陰極。氧化物在催化劑的作用下在陰極室內被還原，最終與到達陰極的質子結合成水[1-4]，MFCs工作原理見圖1。

2 微生物燃料電池(MFCs)的研究進展

為提高MFCs的產電量、功率密度以及電流密度，同時為了更有效地降低其成本，早日實現(xiàn)MFCs的規(guī)?；瘧靡约捌鋵嶋H應用。近年來，研究者不斷提出各種解決方案，進行各種實驗來優(yōu)化MFCs的性能參數(shù)，包括催化劑、生物膜、底物的使用、電極材料及其構造，工作操作條件(溫度，pH)等，從而改善MFCs的整體性能。

圖1 微生物燃料電池工作原理圖

2.1 催化劑影響研究

MFCs中催化劑是用來提高系統(tǒng)微生物的活性，從而加強微生物處理污染物的能力。不同的催化劑影響不同，Li Xiang, Hu Boxun等[5]討論了含有OMS-2結構的錳的氧化物作為陰極催化劑的影響。在長達400 h的實驗過程，OMS-2在氧化還原反應中表現(xiàn)出良好的催化活性，其內阻[(18(±1) Ω)]同傳統(tǒng)鉑(Pt)陰極催化劑(17 Ω)相似，但前者的有機底物去除效率是后者的兩倍，但二氧化錳的成本卻是Pt的5%。Nguyen Minh-Toan , Mecheri Barbara等[6]，則提出使用鐵螯合物作為MFCs氧化還原反應中的電催化劑的概念。使用了兩種螯合劑乙二胺二鄰羥苯基乙酸(EDDHA)和二乙烯三胺五乙酸(DTPA)，并選擇炭黑(C)及碳納米管(CNTs)作為載體。FeE/CNT作為陰極催化劑更具有活性，它的處理效果以及產電量更高。與Pt/C催化劑相比，F(xiàn)eE/CNT的性能略低，但其成本卻比同等規(guī)模的Pt低得多。而Rosenbaum Miriam, He Zhen等[7]，另辟蹊徑，提出一種新的理念——光合微生物燃料電池，即photoMFCs。目前，最有前景的photoMFCs是電催化生物電化學系統(tǒng)(BESs)，它能夠光合作用產生氫，可以轉化藍藻或植物排出的有機物。同時，陰極可為電催化的還原反應提供氧氣。

2.2 生物膜影響研究

生物膜的生長對MFCs的電化學性質有很大影響，隨著生物膜的成熟及微生物的豐富和生長，微生物會逐漸適應環(huán)境，從而使得產電量增加，同時極化電阻降低。與此同時，為了獲得一個較大的輸出功率或輸出電流，陽極的電勢應該盡可能低，陰極電勢盡可能高，即一個低的陽極電勢相當于一個更高的燃料電壓[8]。 Lee Duu-Jong, Liu Xian等[9]，為了解決MFCs在除硫過程中，由于缺少硫化物的電子受體，導致過剩硫化物在反應器聚集的問題，培養(yǎng)了SRB+SOB陽極生物膜，實現(xiàn)硫酸鹽→硫化物→基態(tài)S0的過程。在研究中發(fā)現(xiàn)，該生物膜縮短了硫離子的轉移距離，從而降低了極化電阻，增加了MFCs的性質。而Shahgaldi Samaneh, Ghasemi Mostafa等[10]，則通過PVDF/Nafion(聚偏氟乙烯/全氟磺酸)納米復合材料質子交換膜來提高MFCs的性能。Shen Hai-Bo, Yong Xiao-Yu等[11]，通過在MFCs接種的假單胞菌添加槐糖脂的方法，改善綠膿素生產以及膜的滲透性，最終增加生物電的產生。

2.3 底物影響研究

底物的使用直接影響微生物活性，從而影響整個反應過程。在最初幾年，醋酸和葡萄糖等簡單底物被廣泛使用。但近幾年，由于簡單底物的成本不斷增加，研究者正在使用一些非傳統(tǒng)底物，一方面是為利用廢棄的生物質以及處理廢水；另一方面則是為了提高MFCs的電產量。從可再生和廢棄的生物質中獲得生物能源，具有很大的潛力，不僅使其自身得到能源滿足，而且可以較少與糧食生產的競爭。如今的MFCs使用的底物應該具有很強的復雜性以及穩(wěn)定性，即較高的有機負荷。當一種簡單底物容易降解時，一個復雜而穩(wěn)定的底物可以幫助建立一個多樣的、電化學活性好的微生物群體，以致提高系統(tǒng)的電力和氫的輸出。但在使用復雜底物時，需要建立包含分離、轉化、處理以及MFCs相結合的體系，使一個單元的流出物作為另一單元的底物，繼續(xù)進行反應，最終達到更好地處理效果[12-13]。

2.4 電極影響研究

一個好的電極材料和構造是可以為生物附著提供大的表面積和確保電流的有效收集，電極的成本以及性能是MFC反應器設計中最為重要的部分，如今，許多電極材料以及其結構得到發(fā)展和測試，目的是提高MFCs的性能和降低電極材料的費用[14]。1) 電極材料。對于大多數(shù)種類的電極，它們的基本材料要求是具有良好的導電性、良好的化學穩(wěn)定性、較高的機械強度以及低成本。碳電極以及其他的無腐蝕性金屬[15]因都具有這些基本屬性而被廣泛應用。但這些基本材料只能提供支撐和集電器的作用，高的導電性和機械強度無法滿足，同樣也無法為微生物提供好的棲息地。所以新的電極材料開始研究并發(fā)展。如，生物電極[16]，生物電極的作用不僅是為了導電，而且它還是微生物的載體。2) 電極結構。電極結構對提高MFCs的性能以及其規(guī)?；呛苤匾?。根據(jù)電極的構造，傳統(tǒng)使用的電極被分為平面電極和三維電極。相對于平面構造，三維構造[17]可以為微生物附著提供較大的表面積、高孔隙度以及良好的集電作用；對于平面電極[18]因其擁有大的比表面以及吸收容量，所以能夠達到最佳的除硫效果以及產能效果，且價格相對較低。

2.5 工作操作條件影響研究

MFCs性能在不同pH、溫度的工作操作條件下表現(xiàn)不一樣。初始pH值對產電性質幾乎沒有影響，而在操作過程中陽極pH值卻是至關重要的；當陽極pH值控制在7.3時，MFCs系統(tǒng)獲得最好性能；當環(huán)境pH值超過9，或者低于6時，電流會下降，這是因為，環(huán)境pH的改變會影響到微生物的酶促反應，酶促反應都有一個最佳pH范圍，在該范圍內，酶的活性最好，微生物的反應也最為迅速，產電量也會最優(yōu)，一旦超過該范圍，酶的性質就會發(fā)生不可逆變化，導致微生物活性降低，產電量也會下降；同時pH值得變化也會影響生物膜的形成。Ahn Youngho, Logan Bruce E[20]研究了在室溫[23(±3)℃]、中溫[30(±1) ℃]的操作條件下，MFCs處理生活污水時的效果。使用溫控(室溫-中溫)連續(xù)反應器結構在處理城市生活污水中有很大優(yōu)勢，如，低能耗、低污泥產量以及高處理效果。

3 展望

目前MFCs還不能進行大規(guī)模應用，仍處于小規(guī)模實驗階段，主要是因為其存在成本高，能量回收效率低、發(fā)電量低等問題。

1) 在催化劑方面：通過尋找廉價且催化性能好(通過使用填充材料改善其孔徑或者表面積)的催化劑原料來解決現(xiàn)行的催化劑成本高、催化活性不穩(wěn)定性及低效性等問題。

2) 在生物膜方面：生物膜生長對MFCs的電化學性質有很大影響，隨著生物膜的逐漸成熟，MFCs的電化學活性在逐漸加強；但由于生物膜的通透性以及穩(wěn)定性影響了電子的運輸以及胞外電子的轉移，從而使得MFCs性能有所欠缺，可通過尋找填充物質(如，納米纖維、槐糖脂等)或者使用表面活性劑擴大生物膜的通透性，從而改善電子的轉移速率，提高MFCs性能。

3) 在底物方面：由于近幾年如葡萄糖等簡單底物的成本不斷增加，所以提出尋找一些復雜底物，如，廢水中的大量生物質或者廢棄的半固態(tài)生物質，這樣既可以節(jié)省成本，同時還可以降低環(huán)境污染以及提高產電量。但與此同時復雜底物可能帶來一系列問題，其中最主要的可能是會生成混合電位，從而擾亂內部電流的流動，這一缺陷可能影響電極性質，使得產電量的下降。

4) 在電極方面：電極材料以及電極結構都會影響電極的性質，從而影響整個MFCs的性能。目前電極的主要問題是成本高以及穩(wěn)定性差，通過實驗尋找新的廉價的電極材料或者通過改善電極結構，以改善其成本高的缺點，同時改善其電催化活性，從而改善MFCs的性能。

5) 在工作操作條件方面：pH、溫度等變化，會引起MFCs性能的改變。如，pH、溫度均會影響微生物酶的活性，可以通過設計一系列pH、溫度梯度研究，從而選取合適的參數(shù)，改善MFCs性能。