（应用化学专业论文）电化学辅助利用乙酸盐生物制氢工艺的研究.pdf

电化学辅助利用乙酸盐生物制氢工艺的研究 摘要 本文针对单位基质转化率低是目前生物发酵法制取氢气的一个瓶颈问 题，就这一问题如何利用末端发酵产物中乙酸等有机小分子通过微生物作用 进一步获得氢气进行了初步研究。本文结合微生物燃料电池工艺，采用电化 学辅助微生物产氢的新方法实现了以乙酸盐为唯一碳源的产氢目标 实验以哈尔滨文昌污水处理厂沉淀池与浓缩池获得活性污泥作为启动接 种菌源。装置采用两极室生物燃料电池反应器，两极室有效容积各为 4 8 0 m l 。阳极采用8 0 m m x 8 0 m m 碳布，阴极用3 0 m m x 3 0 m m 含金属p t 碳 纸。外电路接入1 0 0 0 q 电阻，实验温度维持在3 0 士2 。同时运行1 4 和2 撑两 个反应器，1 捧反应器启动时无外加电压辅助，稳定后载入0 5 0 6 v 外电 压，2 个月后收集到h 2 ，乙酸钠转化为h 2 的总转化效率在3 0 左右，h 2 生成产率约为0 1 m o l h 2 m o l n a a c 。2 。反应器采用外加电压辅助启动，1 个月 后收集到氢气，电子的氢气还原效率为e e = 2 1 0 ，h e 转化总效率为e h - 1 1 。6 ，气体生成产率为0 4 m o l h 2 m o l n a a c 。比较而言，2 撵反应器无论是启 动速度还是运行效率都高于1 撑反应器。 本文分析了影响电化学辅助生物产氢工艺运行的关键性因素。结果表 明，阳极室p h 的及时调节在实验中至关重要。研究认为，阳极室p h 保持 在6 8 7 2 ，阴极室p h 在7 o 左右，有利于氢气的稳定生产。实验分析认为 质子交换膜( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ，p e m ) 对质子传递效率不高和阳极室 产酸型微生物的存在是体系p h 失衡原因 采用单链构象多肽性技术( s i n g l e s t r a n dc o n f o r m a t i o np o l y m o r p h i s m ， s s c p ) 分析阳极室微生物群落变化规律。分析表明反应体系中主要电子传递 功能菌群为假单胞菌属和希瓦氏茵属，驯化阶段到稳定产氢阶段二者为群落 中明显的优势菌群，反应器条件波动后，优势菌群中出现了脱硫微球菌类、 梭菌属类以及放线菌等在微生物燃料电池微生物研究中提及的菌类。同时检 测到变形菌属与梭菌属类，这些微生物也导致了阳极室酸化。 关键词生物制氢：微生物燃料电池；电化学辅助；电子转移 - i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i i i i i i i - e 寡宣昌曹昌皇置_ _ 曩葺_ _ 昌昌量_ - 曩摹宣一 r e s e a r c ho nb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nb y e l e t r o c h e m i c a l l ya s s i s t e dm i c r o b i a lp r o c e s s f r o ma c e t a t e a b s t r a c t b i o - h y d r o g e np r o d u c t i o nb yf e r m e n t a t i o ni sl i m i t e dt oal o wh y d r o g e n c o n v e r s i o nb yo n em o l es u b s t r a t e t h i sp a p e rs t u d i e so nh o wt ou t i l i z e f e r m e n t a t i o np r o d u c t s ，a c e t i ca c i dm a i n l yf o re x a m p l e ，t of n n h e rg e n e r a t e h y d r o g e nb ym i c r o b i a lw a y b a s eo nm i c r o b i a lf u e lc e l l ( m f c ) ，h y d r o g e ni s p r o d u c e ds u c c e s s f u l l yb ye l e c t r o c h e m i c a l l y a s s i s t e dm i c r o b i a lp r o c e s sw i t h a c e t a t ea st h es o l ec a r b o ns o u r c e t h es e e ds l u d g ew a ss e w a g es l u d g ec o l l e c t e df r o mt h es e d i m e n t a t i o nt a n k a n ds l u d g et h i c k e n e ri nw e nc h a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nh a r b i n t h e t w o - c h a m b e rm i c r o b i a lf u e lc e l lr e a c t o rw a se m p l o y e dt os t a r tu pa n de a c hw a s 4 8 0 m lf o rv i a b l ed i m e n s i o n c a r b o n a c e o u sf a b r i co f8 0 m m x s 0 m mi na n o d e c h a m b e ra n dc a r b o n a c e o u sp a p e ri nc a t h o d ec h a m b e rw e r ea d o p t e d t h ed e v i c e w a sr u nw h e nc o n n e c t e dw i t h10 0 0 qe x t e r n a ll o a di na m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 30 a ：2 c ) t w or e a c t o r s ( r e a c t o rl 群a n d2 掌) w e r es t a r t e du ps i m u l t a n e o u s l yb y d i f f e r e n tw a y s r e a c t o rl 开w a sr u nw i t h o u tp o w e rs u p p l yi ne a r l yd a y sa n dt h e n w a sj o i n e dp o w e rs u p p l yf o rh y d r o g e n ( a p p l i e dv o l t a g e0 5 0 6 v ) h y d r o g e n w a so b t a i n e di nr e a c t r o r1 拌a f t e rt w om o n t h s s t a r t u p t 0 t a lh y d r o g e n c o n v e r s i o no fa c e t a t ew a s3 0 a n dam a x i m u m y i e l d w a s 0 1 m o l h z m o l n a a c r e a c t o rrw a sd i r e c t l yp o w e r - s u p p l i e ds t a r t u pf o r h y d r o g e n ( a p p l i e dv o l t a g e0 5 0 6 v ) h y d r o g e n w a so b t a i n e do n em o n t h l a t e r h y d r o g e nr e c o v e r yo fe l e c t r o nw a s2 1 ：t o t a lh y d r o g e nc o n v e r s i o no f a c e t a t e w a s11 6 ：t h e y i e l d o f h y d r o g e n f r o m a c e t a t e w a s 0 4 m o l h 2 m o l n a a c r e a c t o r2 。w a sh i g e r t h a nr e a c t o r1 嚣i n p r o d u c t i o n r a t e b u tt h eb i o f i l mw a sn o te a s yt of o r mb e c a u s eo fp hr a p i dd r o p p i n gi n a n o d ec h a m b e r n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 墨_ _ _ 皇鼍暑暑皇暑皇鼍置置墨鲁量_ _ _ 暑皇暑皇詈置目l 暑鲁墨葛i 皇墨晕暑盲皇詈詈鲁詈_ 盲目置昌_ 葛_ 宣墨詈盲鼍| 墨葛昌一 t h e s t u d ya n a l y s e d t h ee f f e c to fc r u c i a lf a c t o r sf o rr e a c t o r r u n n i n g a d j u s t m e n to fp hi na n o d ec h a m b e rw a sv e r yi m p o r t a n ta n da c t i v e n e s s o ft h eb i o - f i l mi na n o d ew a si n f l u e n c e db yp h e x c e s s i v e l yl o wp hc a u s e di n l o s i n ga c t i v e n e s se v e nr e a c t o rn o ta v a i l a b l e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u i t a b l ep h f o rf u n c t i o n a lb a c t e r i ai na n o d ec h a m b e rr a n g i n gf r o m6 8t o7 2 t h ew h o l e e f f i c i e n c yw a sv i s i b l eb e l o wp h7 0 i nc a t h o d ec h a m b e ra n dw a si m p r o v e d f u r t h e rw i t hp hd e c r e a s i n g t h el o we f f i c i e n c yo fp e mw a sc o n s i d e r e dt oc a u s e t h eu n b a l a n t eo fp hi nt w oc h a m b e r s s s c pa n a l y s i so fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si n d i c a t e dt h a tt h ee l e c t r o n t r a n s f e r b a c t e r i am a i n l yc o n s i s t e do fp s e u d o m o n a ss p a n ds h e w a n e l l as p t h e yw e r et h e d o m i n a n ts p e c i e si nb o t hd o m e s t i c a t i o nc o u r s ea n ds t e a d yh y d r o g e np r o d u c t i o n p e r i o d a f t e rc o n d i t i o ni m p a c t ，s o m eo t h e rb a c t e r i ab e c a m eo b v i o u s ，s u c ha s d e s u l f o m i c r o b i u m 、c l o s t r i d i a l e sa n da c t i n o b a c i l l u sa n ds oo n ，w h i c ha l lw e r e m e n t i o n e di nt h es t u d yo nm i c r o b i a lf u e lc e l l s p r o t e o b a c t e r i u ms p a n d c l o s t r i d i a l e ss pw e r ef o u n ds i m u l t a n e o u s l yi na n o d ec h a m b e r ，w h i c hw a st h e m i c r o b i a lr e a s o nf o rp hf a l l i n g k e y w o r d sb i o - h y d r o g e np r o d u c t i o n ，m i c r o b i a lf u e lc e l l ，e l e c t r o c h e m i c a l l y a s s i s t e d ，e l e c t r o nt r a n s f e r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文腈水合酶产生菌株的酶反 应条件优化及细胞固定化的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中 除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 ， 作者签名：毖西耋 一 日期、硝年罗月垆日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 腈水合酶产生菌株的酶反应条件优化及细胞固定化的研究系本人在 哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的 名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可 以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密四 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：趱殉j 导师签名： h 眯 俨 垆 月 月 ? 、 年 年 移 “ 吣 九 a 期 期 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源是人类社会前进的基石，随着社会不断的发展，尤其是十八世纪工业 革命以来，对天然能源的过度消耗，导致全球性的能源危机。国家经济的发展 依赖于能源，而天然化石能源的枯竭越来越成为制约其发展的瓶颈，这样迫使 ，各国寻求可持续发展的替代性能源【l i 。许多国家已经开展了对新能源的研究 和利用，如太阳能和核能，生物质能的研究和应用在上世纪也得到大力发展， 其中尤以燃料乙醇和生物制氢备受关注，而生物制氢以传统的厌氧生物发酵法 制氢理论和技术较为成熟 3 - 5 1 。生物发酵法制氢底物采用有机废水，例如生活污 水或工业废水作底物，高浓度有机大分子在微生物作用下，降解为小分子有机 物( 主要有乙酸、丙酸、丁酸和乙醇) ，同时释放氢气。现在面临的问题就是对 废水的利用不彻底，一方面浪费了资源，单位产氢率不高，以葡萄糖为例， t h a u e r 于1 9 7 6 年指出，l m o l 葡萄糖最多能生成4 m o l 氢气和2 m o l 乙酸。另一方 面，发酵液需要后续处理才能达标排放，还需要消耗能量。如果能对发酵制氢 的末端产物继续加以利用来生产氢气，无疑将会大幅度地提高单位产氢量。目 前提出，暗发酵结合光发酵的方法能够利用这些小分子有机物，但是目前相关 性的研究还少见报道。2 0 0 5 年，b r u c ee l o g a n n 提出了利用暗发酵结合带有外 加电压的微生物燃料电池技术能够利用小分子产氢，其主要思想是在外电压的 辅助下，实现深度产氢。这是对于产氢途径和产氢新工艺的探索，目前在国内 还鲜有报道和研究。 1 2 生物制氢技术与微生物燃料电池 1 2 1 生物制氢技术进展 利用微生物制取氢气这一课题已经研究了几十年。在2 0 世纪3 0 年代，第一 次报道了细菌暗发酵制取氢气。随后在1 9 4 2 年o a f f r o n 和r u b i n 报道了绿藻利用 光能产生氢气，1 9 4 9 年o e s t 和k a m e n 发现了光营养产氢细菌。s p r u i t 在1 9 5 8 年证 实了藻类可以通过直接光解过程产氢而不需要借助于二氧化碳的固定过程。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 9 7 0 年，h e a l y 的研究表明光照强度过高时由于氧气的产生c h l a m y d o m o n a s m o e w s u i i 的产氢过程将受到抑制。2 0 世纪7 0 年代能源危机期间，全世界对生物 制氢进行了大量的研究。由于暗发酵至多只能将i m o l 葡萄糖生成4 m o l 氢气，故 其很难应用于实际生产中。而光营养细菌可以将有机酸等底物完全转化为氢 气，所以此后生物制氢的研究基本上都集中于光发酵。 2 0 世纪8 0 年代初在世界范围内研究与发展计划限& d ) ，对可再生能源的支 持逐渐减少，到9 0 年代早期，环境问题日益严重又使人们将注意力集中到可替 代能源上。在德国、日本和美国生物制氢r & d 的支持下，研究开发利用有机废 水为原料的发酵法生物制氢技术，获得了一些有意义的成果1 7 1 。t a n i s h o 使用聚 氨基甲酸乙酯泡沫对产气肠杆菌e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e se 8 2 0 0 5 菌株的固定化连 续培养也获得了很好的产氢能力，菌种产氢能力从1 5 m o li - b m o lg l u c o s e ，增 加到2 2 m o l h 2 m o lg l u c o s e ，约提高了5 0 。y o u - k w a n 和o h 等，于2 0 0 2 年从消 化污泥中提取两株菌c i t r o b a c t e rs p y t 9 s 与r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sp 4 1 9 1 r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sp 4 在p h 值5 9 和温度2 5 - - 4 0 c 条件下，最大产氢量和 产氢速率分别达到2 7 6 m o lf h m o l - g l u c o s e 和2 9 9 m m o li - h g e e l l h 。c i t r o b a e t e rs p y 1 9 在温度3 6 ( 2 ，p h 值乱7 的条件在下，最大产氢量和产氢速率分别达到 2 4 9 m o lh z m o l g l u c o s e 和3 2 3 m m o lh 2 gc e l l h 。 发酵法生物制氢按照是否需要光照，分为光发酵和暗发酵两大类。光发酵 由于能够利用小分子有机物，所以产氢率较高，尽管如此，该工艺还是存在一 些缺陷需要改进：固氮酶自身需要大量的能量，较低的太阳能转换效率和光合 生物反应器占地面积较大，光合生物反应器的设计、运行困难，成本较高。总 之，该工艺和其他所有涉及光合过程的工艺的产氢效率都较低，经济上尚不可 行。既然光发酵和间接光解生物制氢工艺以有机物为底物，那么可以考虑采用 更简单、更有效的厌氧发酵生物制氢工艺来制取氢气。 厌氧生物发酵制取氢气主要有两种途径：1 丙酮酸脱羧产氢。丙酮酸首先 在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧，形成硫胺素焦磷酸一酶的复合物，将电子转移 给还原态的铁氧还蛋白f f d r e d ) ，然后在氢酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁 氧还蛋白0 冒d o x ) ，产生分子氢。或者丙酮酸脱羧后形成的甲酸以及厌氧环境中 c 0 2 和旷生成的甲酸，通过铁氧还蛋白和氢酶作用分解为c 0 2 和h 2 。2 辅酶i 的 氧化与还原平衡调节产氢。通过辅酶i ( n a d h 或n a d + ) 的氧化还原平衡调节作 用产氢，在碳水化合物发酵过程中，经e m p 途径产生的n a d h 和矿可以通过与 一定比例的丙酸、丁酸、乙醇和乳酸等发酵过程相偶联而氧化为n a d + ，以保 证代谢过程中的n a d h n a d + 的平衡。为了避免n a d h 和旷的积累而保证代谢 的正常进行，发酵细菌可以通过释放h 2 的方式将过量的n a d h 和矿氧化。 目前，我国在有机废水发酵法生物制氢领域的研究处于国际前沿水平。国 内很多学者在发酵生物制氢技术的产氢机理、高效产氢细菌选育、产氢细菌生 理生态学、生物制氢反应设备研制及工艺调控等多方面进行了大量研究并取得 了突破性研究成果p o q 3 j 。任南琪等在2 0 0 2 年从生物制氢反应器的厌氧活性污泥 中发现了一个新属( e t h a n o l i g e n e n s ) ，通过乙醇型发酵产氢，此后又连续发现了 6 株该属新菌种。2 0 0 6 年报道中该属产氢速率为3 5 7 r e t o o lh z g d r y c e l l h ，目前居 世界首位，氢气转化效率达到2 g l m o l h 2 m o l g l _ u c o s e 【1 4 l 。 表1 - 1 不同生物产氢工艺优缺点 t a b 1 1g o o da n db a dp o i n t so fa l lb i o h y d r o g c nc r a f t s 微生物类型优点缺点代表种 绿藻 蓝藻 可以从水中制取氢 耋轰篱爰雾票耋暑 产氢过程需光照：生 可以从水中制取氢；成的0 2 对固氮酶有抑 固氮酶产氢；可以将 制：为抑制h 2 的消耗 大气中的n 2 固定 需将吸氢酶除去；有 c 0 2 生成 光发酵细菌署袈墨耋兰茎翥蓄羹i 燃 光发酵细菌有机废水；可利用光 0 1 = 裂篡：兰7 谱较宽 不：三? z 。譬网 斜生栅 s c e n e d e s m u s o b l i q u u s 莱茵衣藻 c h l a m y d o m o n a s r e i n h a r d i i 多变鱼腥蓝细菌 a n a b a e n av a d a b i l i s 海绵状念珠蓝细菌 n o s t o c s p o n g i a e o r m e 球形红细菌 r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s 荚膜红细菌 r h o d o s e u d o m o n a s c a p s u l a t a 大肠杆菌 可昼夜产氢：广泛利发酵液需进一步处e s c h e r i c h i ac o l i 厌氧细菌用各种碳源，如淀理：有乳酸、乙酸等 丁酸梭菌 粉，蔗糖 生成；有c 0 2 生成 c l o s t r i d i u m ! 竺垒塑竺翌 从能量学上讲，异养型厌氧菌产氢十分有利，它们能从产氢反应中获得比 光营养菌更多的能量，而且由氢酶催化的产氢反应不需a t p 。然而，它们分解 有机物不彻底，分解速率缓慢，影响了氢气产率及产氢速率，所以无法实现其 规模化生产。理论上，1 t o o l 葡萄糖可以产生1 2 m o l h 2 ，但是在暗发酵过程中， 由于部分生成乙酸、丁酸、乙醇等等有机物和二氧化碳，这样无论在污水处理 和氢气产量方面都无法达到理想效果，因此，希望寻求更有效率的产氢路径。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 列出了不同生物制氢工艺的优缺点f 1 5 1 。 对产氢工艺的改进还在探索中，结合光发酵的优势，当前，有研究人员提 出可以利用暗发酵和光发酵联合产氢。其联合制氢系统包括非光合细菌和光合 细菌，非光合细菌不需光照就能够降解复杂大分子有机物产生氢气，由于有机 酸产氢反应的自由能是增加的，厌氧微生物不能继续利用有机酸合成氢气，所 以厌氧菌不可能完全降解葡萄糖合成更多的氢气，而光合细菌可以利用光能使 这一反应得以进行，在该系统中，非光合细菌和光合细菌分别在各自的反应器 中进行反应。这是一个好的思路，但是其成果性的相关文献还未见报道。 1 2 2 微生物燃料电池技术概况及原理 1 2 2 1 微生物燃料电池进展利用微生物作为燃料电池催化剂这一概念最早由 英国植物学家p o t t e r i m i 于1 9 11 年提出，此后在空间科学研究领域取得较大进 展。而这一技术被用来处理污水最早始于1 9 9 1 年，h a b e r m a n n 和p o m m e r t l 第 一次尝试了利用微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，m f c ) 处理污水的可能性。 从最早的研究者发现部分微生物具有传递电子，能够还原外界的铁、锰等金属 氧化物的现象，到微生物燃料电池的各种运作反应器的试验研究和实际应用 ( 例如产电、废水处理、制氢) ，在此期间，对阳极室起催化作用的微生物的研 究也迅速开展。自2 0 世纪7 0 年代m f c 概念正式提出以来，微生物的筛选一直 是m f c 的研究重点。目前，已用于m f c 的微生物根据其电子传递途径的差异 可以分两类：第一类微生物包括d e s u l f o v i b r i od e s u l f u r i e a n s 、p r o t e o u sv u l g a r i s h 和p r o t e o u sv u l g a r i s h 等【l s l ，代谢产生的电子需要氧化还原介体的参与才能传递 到电极表面：第二类微生物如g e o b a c t e r 、s h e w a n e l l ap u t r e f a e i e n s 、r h o d o f c t a x f e r r i r e d u c e n s 等1 1 9 2 ，代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面。通 常把第一类微生物接种的m f c 称作间接m f c ，把第二类微生物接种的m f c 称作直接m f c 。 尽管电池中有些微生物能够将电子直接传递到电极表面，但是电子传递效 率很低，微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此 微生物燃料电池大多需要氧化还原介体促进电子传递。一些有机物和金属有机 物可以用作微生物燃料电池的氧化还原介体，其中，较为典型的是硫堇、 f e ( m ) e d t a 和中性红等。 氧化还原介体大多有毒且易分解，而且使用介体材料增加了工艺成本，这 在很大程度上阻碍了微生物燃料电池的商业化进程。近几年，大部分的研究都 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 集中在直接微生物燃料电池上。2 0 0 2 年，d a n i e lr b o n d 和d e r e kr l o v l e y t 2 2 l 将 兼性厌氧菌g e o b a e t e rs u l f u r r e d u c e m 接种在m f c 阳极，稳定阴极在 + 2 0 0 m v ( a g a g c l 参比电极) ，阳极生物附着量0 0 4 7 m g e m 2 ，测得电流密度为 1 6 3 1 1 4 3 m a m 2 ，他们也第一次证明了附着在阳极表面的微生物可以单独产生 电能。随后h y u n gs o op a r k 和b y u n gh o n g 飚m 【2 3 】从稳定运行了3 年的混合菌种培 养的m f c 阳极室中分离出一种专性厌氧菌c l o s t r i d i u mb u t y r i c u me g 3 。该菌为 革兰氏阳性菌，属于运动型杆菌，以f e ( o ) o h 为电子受体，代谢产物为乳酸 盐、甲酸盐、丁酸盐、乙酸盐、c 0 2 和h 2 。c u o n ga n hp h a m 和s u n gj ej l l i l g 等叫1 用同样的方法分离出另一种具有电化学活性的f e ( i i i ) 还原菌a e r o m o n a s h y d r o p h i l ap a 3 。通过d n a 染色体组分析它与a e r o m o n a sh y d r o p h i l ak c t c 2 3 5 8 约1 0 0 相同。a e r o m o n a sh y d r o p h i l ap a 3 菌以醋酸为底物时，只以氧气或硝酸 盐为电子受体，将其用于m f c ，负载5 0 0 d 时，c o d l 2 6 0 m g l ，最大电流为 0 3 m a 。而b y u n gh o n gk i m 等人【2 5 i 采用循环伏安法来研究s p u t r e f a e i e n sm r - 1 、 s p u t r e f a e i e n si r - 1 和变异型腐败希瓦菌s p u t r e f a e i e n ss r 2 1 的电化学活性，并 分别以这几种细菌为催化剂，乳酸盐为底物组装微生物燃料电池。发现不用氧 化还原介体，直接加入燃料后，几个电池的电势都有明显提高，其中s p u t r e f a e i e n si r - 1 的电势最大，可达0 5 v 。当负载l l c q 的电阻时，它有最大电 流，约为0 0 4 m a 。位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还原性能。可在电 子传递的过程中起到介体的作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在氧化 还原介质对细胞膜的渗透问题，从而可以设计出无介体的高性能微生物燃料电 池。 为了进一步提高电子利用率，增大输出电能，m f c 的工艺在过去几年不断 被改进。宾夕法尼亚大学b r u c ee l o g a n 的课题组致力于混合菌种培养m f c 的 研究。h o n gl i u 等人f 2 6 】设计了单室微生物燃料电池处理污水，反应器呈空心圆 筒形，阳极是碳棒，阴极为直接与空气接触的碳织物( 加载有o 5 m g c m 2 的p d ， 靠阳极一面覆盖阳离子交换膜( p e m ) ，水力停留时间6 h ，产生最大电能 2 6 m w m 2 ，电流密度1 2 5 m a ，反应器去除的c o d 为6 - a ：1 3 。为研究质子交换膜 ( p e m ) 对m f c 产电效果的影响，又设计了一个空气阴极的单室m f c 。阳极为碳 纸，阴极为加有0 5 r a g e r a 2 的碳织物。以污水为底物，当p e m 存在时，最大产 出电能为2 8 d = 3 m w m 2 ；如果把p e m 除去，最大电能可以上升到1 4 6 d ：8 m w m 2 。 b o o l dm i n 认为底物利用率不高是由于阴极的氧气通过p e m 渗透到阴极，另外 阴极浸泡在污水中，容易导致阴极中毒。他设计了连续流平板型m f c ，阳极材 料多孔碳板，在p e m 存在的情况下，水力停留时间2 0 h ，产生的最大电能 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 5 6 m w m 2 。 当前m f c 进行废水处理应用上的主要限制就是能量输出量相对很低，而且 技术上仅仅处于实验室阶段，现在有研究人员采用通过串联多个电池的方式提 高电压。b o o k im i n 和b r u c ee 。l o g a n l 2 n 将生物燃料电池用于处理市政废水时得 到了良好的效果，他们设计了一个平盘式m f c ，操作起来与活塞流反应器相 同，即过程中不发生混合。仅用市政废水供给时，水流速为0 3 9 m l m i n 产生能 量为7 2 _ - t ：1 m w m 2 ，c o d 去除率为4 2 ，水力停留时间为1 1 h 。当水力停留时间 延长到4 o h 时c o d 去除率增加到7 9 ，平均能量为4 3 + l m w m 2 。研究表明对于 多种有机物质在这种连续流反应器体系的m f c e p 都可以产生比较高的电能。华 盛顿大学的z h e nh e 等人f 2 8 设计了一种上流式微生物燃料电池删f c ) 来处理废 水并获得电能。该电池的最大输出为1 7 0 m w m 2 ，在阴极室需要加入一种人工 的电子介体六聚氰铁酸盐( h e x a c y a n o f e r r a t e ) 。随着c o d 量的增加能量密度 也不断增加，当输入速率达到2 o g c o d l d a y 时能量密度就不再增加了。表1 2 列出了直接微生物燃料电池的研究现状1 2 8 - 3 2 1 。 表1 - 2 直接微生物燃料电池研究现状 t a b i - 2r e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o ni nd i r e c tm f c 1 2 2 2 直接微生物燃料电池产能原理m f c 是以微生物作为催化剂将碳水化 合物中的化学能转化为电能的装置，由阳极区和阴极区组成，中间用质子交换 膜( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ，p e m ) ，也有不采用p e m 的单极室m f c 装 置。现以如图1 1 所示的双极室微生物燃料电池为例。左边生产电子的反应室 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 称为阳极室，右侧发生还原反应的反应室称为阴极室。生物燃料电池的工作过 程分为几个步骤：1 在阳极区，微生物利用电极材料作为电子受体将有机底物氧 化，这个过程要伴随电子和质子( n a d h ) 的释放：2 释放的电子在微生物作用 下通过电子传递介质转移到电极上；3 电子通过导线转移到阴极区，同时，由 n a d h 释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区；4 在阴极区，电子、质 子和氧气反应生成水。随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在 外电路获得持续的电流阴阳两极间存在电位差，最高电位可达0 5 , 0 8 v ，整个 反应的过程如下： 在阳极： c d - i i 2 0 6 + 6 h 2 0 叶6 c 0 2 + 2 4 h 2 4 e 一 在阴极： 6 0 2 + 2 4 e + 2 4 h + _ 12 h 2 0 - l 土 - - t e 、 _ 卅 _ - _ 一 一 图1 - 1m f c 产能过程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cf o re n e r g yg e n e r a t i n gp r o c e s sb ym f c 1 3 利用燃料电池技术电化学辅助生物制氢 随着m f c 技术的不断改进，其应用的领域也越来越广阔，与m f c 技术交叉 的研究方向逐渐被关注。b r u c ee l o g a n 课题组近几年一直从事m f c 技术的开发 和研究，在2 0 0 5 年，l o g a n 提出了利用m f c 进行微生物产氢的尝试和研究。他 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 们开发了一种高性能的微生物燃料电池，使细菌能从有机废水中产生大量的 氢，其氢产率是传统发酵过程的4 倍，其在研究中指出，如果给厌氧发酵制氢 系统外加电能后，就能克服所谓的“发酵障碍”( f e r m e n t a t i o nb a r r i e r ) ，使微生物 继续利用小分子有机酸生产氢气。 目前，该课题组的研究集中在m f c 效能提高方面，主要包括电极性能对微 生物的影响，含p t 量对阴极合成催化效率的影响，阳极室大小以及阳极碳纸在 不同位置、不同物料通过和传递方式对电流大小的影响，库仑效率的提高和限 制因素的分析等方面。他们分析了不同简单有机酸( 乙酸和丁酸) 对产氢速率的 影响，结果发现乙酸更利于细菌在m f c 中代谢，产氢量也要比丁酸高一些。其 研究表明，用乙酸盐和丁酸盐的阳极库仑效率可以达到5 晰5 ，而葡萄糖的 效率仅达到1 4 - - , 2 1 ，这也意味着采用微生物燃料电池产氢处理暗发酵末端产 物的可行性。 b r u c ee l o g a n 和h o n gl i u 等人研究后指出，以乙酸盐为基质，活性污泥作 发酵室接种体时，外加8 5 0 m v 的电压辅助时，微生物能将反应进行到底，获得 了氢气，其产氢率为2 9 m o l h 2 m o l n a a c l 6 1 。其反应器原理如图1 - 2 ： 图l - 2 电化学辅助产氢示意图 f i g 1 - 2 s c h c m a t i cd i g r a m m eo fh y d r o g e np r o d u c t i o nb ye a m c 电化学辅助微生物燃料电池( e l e c t r o c h e m i c a l l ya s s i s t e dm i c r o b i a lc e l l ，e a m c ) 制取氢气装置和传统意义上的m f c 相似。反应器分为两个部分，两个反应部分 由质子交换膜连接，外电路接上供电电源。在阳极室微生物降解有机物放出电 子和质子，电子通过导线传递到阴极，质子透过质子交换膜到达阴极，与电子 结合生成氢气。其主要反应有， 在阳极： c h 3 c o o 一+ 2 h 2 0 2 c 0 2 + 7 h 、8 e 。e o = 3 2 0 m v 在阴极： s i - i + + 8 e 。_ 4 i - 1 2e 俨- 4 2 0 m y 由上式可以看到，两极间的标准电势差是1 0 0 m v ，因此在没有外力克服这种电 势差的情况下，不能获得氢气。但是理论上说，如果在两极间外加大于1 1 0 m v 的电压克服能量壁垒，当阳极每消耗i m o l 的乙酸时，在阴极就能获得4 t o o l 的 h 2 。利用这种电化学辅助产氢，结合现有的m f c 技术水平，由细菌氧化醋酸 盐产生的电子和质子中有超过9 0 的比例转化为氢气，库仑效率可达 6 0 - 7 8 ，如果以7 8 的库仑效率和9 2 的电子还原生氢率计算则l m o l 的醋酸 盐可以产生2 9 m o l 的氢气。结合发酵产生的2 - 3 m o l h 2 ：m o l c 6 h 1 2 0 6 ，在m f c 辅助下l m o l 葡萄糖可以产生5 - - 6 m o l 的氢气。 2 0 0 6 年，r o z e n d a lr a 等人1 3 3 l 从处理硫酸盐纸浆废水u a s b 反应器中接种 并驯化5 个多月后启动获得需要的电化学活性微生物。设计的反应器阳极室体 积达3 3 l ，在0 5 v 外加电压下，获得了4 h 内代谢0 3 8 士0 0 3 4 r e t o o l 乙酸盐产生 0 8 0 - a ：0 1 3 m m o l 氢气的结果。其库仑效率可以达到9 2 ，阴极电子转化为氢气还 原率为5 7 ，最终乙酸盐生成氢气效率达到5 3 ，反应器运行效果可以达到 0 0 2 m 3 h 2 j m 3 d ，但是实验中氢气的损失高达3 7 , - - 4 2 。 在2 0 0 7 年，j e n n ad i t z i g 等人1 3 4 1 报道了一种石墨颗粒填充阳极室的电化学辅 助反应器并获得了连续或者间歇的氢气。通过这种填充床结构增大了生物含 量，进而提高了处理废水的能力。实验中在0 4 1 v 夕b s n 电压时获得最大库仑效 率为2 6 ，0 5 v 外加电压时的最大氢还原率为4 2 ，实现了0 5 m o l h 2 m o l 乙酸 盐的产量。 当前发酵法生物制氢主要有三种类型：丁酸型发酵、乙醇型发酵和丙酸型 发酵。丙酸型发酵发酵属产氢量最少但是发酵工艺中常出现的一种类型，乙酸 与丁酸的比例约8 0 - 9 0 。丁酸型发酵乙酸和丁酸比例达到8 0 左右，乙醇型发 酵乙酸与乙醇比例高达9 0 以上，如表1 3 所示【3 5 1 。结合上述研究发现电化学辅 助微生物产氢可以实现乙酸盐、丁酸盐等小分子有机物的利用，而且证明乙酸 比丁酸更容易利用更具有优势。可以推断，利用电化学辅助微生物产氢处理发 酵末端产物，乙醇型发酵末端产物构成将比其他发酵类型更具有优势和潜力。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表l - 3 典型发酵类型中末端发酵产物构成 t a b 1 - 3c o m p o s i t i o no f t e r m i n a lp r o d u c t si nt y p i c a lt y p e so ff e r m e n t a t i o n a 丙酸型发酵产酸相反应器出水的发酵产物组成 底物运行条件 发酵产物组成摩尔分数( ) 收1 0 h r t ( h ) c 谳玑p h 乙酸丙酸丁酸戊酸 0 9 3 1 16 36 6 81 8 31 4 9 一 葡萄糖 制糖废水 啤酒废水 麦芽汁 1 6 1 l4 16 3 57 1 6 1 7 9 1 0 5 4 0 2 06 4 57 3 31 3