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生物燃料电池 报告人 聂晓静学号 21418105院系 环境学院 2019 12 28 大连理工大学 2 目录 一 生物燃料电池的研究背景 2019 12 28 大连理工大学 由于现代经济全速发展 全球化石能源面临短缺问题 石油 约40年 天然气 约67年 煤炭 约167年 化石燃料的燃烧对环境的影响 2019 12 28 大连理工大学 2019 12 28 大连理工大学 因此 寻求可再生的新能源已引起广泛的关注 微生物燃料电池 microbialfoulcells MFC 是一种可以实现能量转换及产能的新概念的装置 在此情况下微生物燃料电池作为一种可利用有机废物产能的装置正走向世界能源的舞台 微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置 二 微生物燃料电池的原理 2019 12 28 大连理工大学 典型的MFC系统由阳极室 阴极室 质子交换膜 Protonexchangemembrance PEM 构成 质子交换膜将阳极室和阴极室分隔开 将阳极室控制为厌氧环境 而阴极室一般为开放环境 微生物燃料电池即是利用阳极室内细菌作为催化剂 通过细菌降解有机物产生电子和质子 产生的电子先传至细胞外 经纳米导线或中间体传输至阳极 再经过外电路负载到达阴极 在阴极与电子受体结合 由此产生电能 质子从阳极室通过质子交换膜到达阴极 在阴极与氧气或是其他物质结合 完成电池内的电荷传递 以葡萄糖为阳极室基质 氧气为阴极电子受体的MFC原理图见图1 1 2019 12 28 大连理工大学 图1 1微生物燃料电池原理图 1 2019 12 28 大连理工大学 阳极半反应 阴极半反应 微生物燃料电池的基本原理打破了微生物呼吸链电子的传递方向 利用电极作为细胞呼吸过程的终端电子受体 把电子从细胞内引到了细胞以外的外界环境 进而延伸到整个电池结构体系中 实现了化学能向电能的转变 微生物燃料电池的优点 2019 12 28 大连理工大学 三 微生物燃料电池的现实应用 2019 12 28 大连理工大学 微生物燃料电池是一种很具应用前景的技术 与普通的燃料电池相比 其更加环保 来源更为广泛 与普通的污水处理技术相比较 在处理污水的同时还能额外获得能量 尤其在目前能源供应问题日益凸显 环境污染日益严重的今天 微生物燃料电池技术更显示出无法比拟的优越性 另外有学者在固体介质如土壤 底泥中应用MFC技术 发现植物生长过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高7倍 7 微生物燃料电池在废水处理中的应用 2019 12 28 大连理工大学 传统废水处理工艺需求能量较高 随着全球经济的高速发展 能源危机已成为当今国际社会共同面临的重大问题 因此 寻求低能耗 无污染或少污染 经济效益好的废水处理工艺是水污染控制领域亟需研究解决的重要课题 在美国 每天会产生126千万升的污水 用传统的方法处理这些污水就会消耗3 的产电量 每立方米污水需要消耗大概0 6kwh的能量 其中一半用于好氧微生物的的氧补给 而每立方米的污水含有2kwh的化学能 若生物燃料电池的成本控制在合适的范围内 污水处理装置就可以作为能量的产出装置 2 2019 12 28 大连理工大学 研究表明 以下废水都可以用MFC技术得到很好的处理 3 MFC在固体废物堆肥中的应用 2019 12 28 大连理工大学 有学者在固体介质如土壤 底泥中应用MFC技术 发现植物生长过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高7倍 接下来介绍MFC技术新的应用方向 在堆肥处理固体有机废物过程中构建MFC 将堆肥中产生的生物能转变为电能 利用MFC可将堆肥中的废气和废液进行二次生物处理 在减轻或消除毒害的同时产生易于利用的电能 具有重要的实际意义 微生物燃料电池在有机废物的处理中具有无污染和产能的优势 在固体废物堆肥中的应用与溶液和废水中相比又体现出新的特点 2019 12 28 大连理工大学 固体废物堆肥微生物燃料电池的特点 与废水作为底物的MFC相比 堆肥产电过程不需要频繁更换底物 为产电菌的富集和生长提供了更加稳定的外部环境 由于堆肥的物料有机质含量高 在长时间内可以提供持续稳定的电流输出 具有较大的市场潜力 相对于废水需要外加热量来保持适宜的温度 固体废物堆肥可以通过自身产热来提高温度 不需要人工加热 质子从阳极区向阴极区的传递效率对MFC的性能是非常重要的 4 MFC技术资源化利用剩余污泥 2019 12 28 大连理工大学 剩余污泥的处理处置一直以来都难以达到满意的效果 已经成为制约污水处理事业发展的瓶颈问题 其处置形势已经十分严峻 因此 寻求经济有效的减量化 稳定化以及资源化污泥处理处置技术具有重要的现实意义 以MFC技术来处理剩余污泥成为污泥处理的又一新方向 此法不但可以减少污泥处置费用 还可以使污泥减量化 又能将污泥中丰富的有机质能转化为电能 从而实现污泥的资源化利用 2019 12 28 大连理工大学 MFC资源化利用剩余污泥有两种形式 直接利用 间接利用 微波预处理剩余污泥 剩余污泥发酵产生的VFA作为燃料 剩余污泥可作为微生物燃料电池的燃料 处理污泥并同步发电即 微生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的 可产生一定的电压与输出功率密度 较低 2019 12 28 大连理工大学 直接利用剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术 其电压和输出功率密度较低 为了提高微生物燃料电池技术的产电性能 可对剩余污泥进行一定的预处理 间接利用剩余污泥为微生物燃料电池的燃料 MFC作为生物传感器 2019 12 28 大连理工大学 生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置 包括生物识别元素和信号传输放大元素 由于微生物燃料电池的电流 电压 或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系 因此微生物燃料电池能用于某些底物含量的测定 如有机碳 废水BOD以及有毒物质等 其中用于废水中BOD测定的研究最为成熟 已有相关报道 5 微生物电解产氢 2019 12 28 大连理工大学 微生物燃料电池由于输出效率低 难以直接应用 而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式 其工作原理 无氧条件下 对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压 可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气 达到利用MFC系统产氢的目的 生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体 氢气 可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行 同时该工艺产生的氢气纯度较高 可积累 储存及运输 推动了MFC技术的实际应用 6 三 结语与展望 2019 12 28 大连理工大学 微生物燃料电池近年来受到广泛学者的关注 其作用机理已渐渐被人们所熟知 为扩大微生物燃料电池的应用范围众多科学家做着不懈的努力 现微生物燃料电池应从以下几个方面进行主演研究 在MFC中菌种方面 从极端环境中 如深海底泥 高温环境等 筛选耐受能力强的产电菌 进一步研究产电菌电子的产生 传递机理 微生物群落的多样性及其演替规律 对高效产电微生物进行基因改造等 优化MFC的结构 电极材料和运行方式等 尤其是空气阴极以及生物阴极方面 以使其能应用于实际生产中 2019 12 28 大连理工大学 微生物电化学合成是近两年微生物燃料电池新的发展方向 有待于进一步深入研究 尝试MFC的工程放大 实现实际应用 参考文献 2019 12 28 大连理工大学 1 陈德莹 微生物燃料电池系统构建及相关微生物学研究 硕士学位论文 扬州 扬州大学 2013年 2 XingXie GuihuaYu NianLiu CraigS Criddle YiCui Graphene spongesashigh performancelow costanodesformicrobialfuelcells Energy EnvironmentalScience 2012 6862 6866 3 郭伟 王艺菲 银晓靖 孙剑辉 微生物燃料电池在废水处理中的应用研究进展 J 河南师范大学学报 自然科学版 2012 40 93 108 4 崔晋鑫