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

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

1 引言

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。

2 微生物燃料電池技術(shù)發(fā)展

2.1 微生物燃料電池的工作原理

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、陽極和隔膜。陽極上的細(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。

2.2 反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)與改進(jìn)

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?；谖⑸锶剂想姵氐南嚓P(guān)工作原理，可做出多種變型。例如，陽極的陽離子交換膜和MFC中的陰離子交換膜之間，陰和陽兩個(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。

2.3 電池與電極結(jié)構(gòu)

陽極室和陰極室由質(zhì)子交換膜（PEM）隔開，陽極的表面由細(xì)菌生長(zhǎng)，氧化有機(jī)物釋放陽極上的電子，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。

3 生物燃料電池的應(yīng)用

3.1 處理污水的應(yīng)用

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。

3.2 沉積物MFC

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。

3.3 生物傳感器

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。

4 結(jié)束語

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.