微生物燃料电池.ppt

592 mW/m2
（2）（40度）混合酶对SMFC功率密度的影响（蛋白酶浓度：淀粉酶浓度）
40℃条件下，酶比为2:3 时，复合酶 促进污泥水解效率最高。功率密度 有显著的提高。 由于酶的催化作用具有高度的专一性，中性 蛋白酶只能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸， α-淀粉酶只能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至 单糖，所以当只加入一种酶时（中性蛋白质或α淀粉酶）时，只能强化蛋白质或者淀粉或纤维素 的水解，而另一种物质的水解得不到强化，因此 污泥液相中溶解性可以被产电微生物直接利用的 小分子有机物浓度就低，从而限制了产电性能。
阳极电子传递
(1)
生物膜接触传递
与阳极表面直接接触的产电微生物，可通过c型细胞色素将细胞内呼吸链中电子直接传递 至电极表面，原因可能是c型细胞色素内血红素基团间紧密排列，且相邻血红素的铁卟啉 平行或垂直的特殊结构，让电子可以在血红素基团间传递，在细胞色素间形成的蛋白复 合物，使得每两个细胞色素上血红素基团排列靠近，让电子在细胞色素间也得以传递。
谢谢！
国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的25％～60％。 据统计，2010年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达360万吨。这些剩
成分复杂，其中包含重金属、病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害 特性 物质。若不加以处理，将污泥直接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染” 最终严重危害到人类的身体健康。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量碳水化合物、蛋白质等营养物质 及氮磷营养元素，具备作为MFC底物燃料的基本条件。
微生物燃料电池
微生物燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化 剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技 术。
MODERN
（1） 微生物燃料电池的原理

膜
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质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔 膜，理想的材料是只允许质子透过，而基质、细 菌和氧气等都被截留的微孔材料。
现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。
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阴极
☺最新的研究表明，阴极是制约MFC产电的主要原
因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但 是从氧气的还原动力学来看，氧气的还原速度较 慢，这直接影响了MFC的产电性能。于是在阴极 加入各种催化剂来提高氧气的还原速率的研究开 始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极分 为非生物阴极和生物阴极。
阳极反应： (CH2O)n＋nH2O nCO2＋4ne-＋4nH+ 2H2O
阴极反应： 4e-＋O2＋4H+
阳极室
Hale Waihona Puke PEM阴极室图1.生物燃料电池工作原理
MFC
阳极 阴极
膜
生物阴极 厌氧型生物阴 极
非生物阴极
好氧型生物阴 极
阳极
☺从MFC的构成来看，阳极担负着微生物附着并传
递电子的作用，可以说是决定MFC产电能力的重 要因素，同时也是研究微生物产电机理与电子传 递机理的重要的辅助工具。现在，MFC阳极主要 是以碳为主要材料，包括碳纸、碳布、石墨棒、 碳毡、泡沫石墨以及碳纤维刷。
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好氧型生物阴极 二氧化锰也能作为直接的电子受体， 在MFC的阴极表面沉积一层MnO2， 利用MnO2的电化学还原和生物再 氧化过程
☺ ☺
厌氧型生物阴极 在厌氧条件下，许多化合物，如硝 酸盐、硫酸盐、尿素和二氧化碳等 都可以作为电子受体。利用厌氧生 物阴极代替需氧生物阴极的一大优 势是可以阻止氧通过PEM扩散到阳 极，防止氧气消耗电子导致库伦效 率下降。
☺阳极是微生物氧化分解有机物的场所，所以微生

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微生物燃料电池的关键问题
• 动力学问题： 解决途径： 1）选择பைடு நூலகம்电效率高的菌种； 2）选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电 池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高 的输出功率； 3）增大阳极的表面积。
• 内阻问题： 这一参数既依赖于电极之间的电解液的电 阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具 有最低的电阻）。对于最优化的运转条件， 阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然 质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损 失，但是充分的混合将使这些损失最小化。
微生物燃料电池
microbial fuel cell
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秋记与你分享
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静思笃行 持中秉正
•
1
微生物燃料电池概述
燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化 剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装 置。 生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生物 组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的 发电装置。 MFC（microbial fuel cell）：利用微生物的作用进 行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)， 把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在 微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以 在常温常压下进行能量转换。
2
e负载
MFC的基本工作原理
e-
CO2
O2
eeH+ 有机物 微生物 H+ H2O
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生 物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电 池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成 回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴 极，与电子受体 （氧气）反应生成水。其阳极 和阴极反应式如下所示：

微量重金属离子促进希瓦氏菌在微生物燃料电池中的细胞外电子转 移和发电
8.1 电池组成：
阳极室：
电极：碳布 介质：补充有18mM乳酸钠的M9 菌种：希瓦氏菌 MR-1
阴极室：
电极：碳布 介质：补充有50 mM K3[Fe(CN)6]的50mM KCL
质子交换膜：Nafion-117 外部电阻：2000欧姆
盐桥、纯电解液 质子交换膜：Nafion、Ultre、聚乙烯、 磺化聚丙乙烯、 聚丙胺、铂黑催化剂、MnO2、Fe3+
表1：微生物燃料电池材料
图5 具有不同代谢途径和电子传递系统的微生物
表2 MFC中使用的微生物
MFC在分别纯培养和混合培养条件下的性能比较
纯培养：
虽然这些细菌都会表现出很高的电子转移率，但是同混合培养相比，它们生长 速度缓慢，底物特异性高（主要是醋酸盐和乳酸盐），能量的转移效率相对较 低。此外，使用纯培养意味着MFC电池有被污染的持续风险。
燃料电池和微生物燃料电池的机理?燃料电池由阳极室和阴极室组由允许质子流动并限制电子流动的电解质隔开?氢气和氧气被输入到电池中?阳极上的催化剂使得氢原子释放电子产生h?氧原子在阴极吸引h?h通过电解质膜?电子通过外部导线到达阴极从而产生电流阳极
微生物燃料电池 （MICROBIAL FUEL CELL, MFC）
η = 过电位 V = 电压或电势 R = 电阻 P = 微生物燃料电池功率
Ec = 阴极的电极电位 EA = 阳极的电极电位 act = 激活 conc = 浓度
开环电路电压：
Ecell = Eemf – ηa – ηb – E △pH – Eionic – ET – Em
Eemf = 开环电路电压 ηa = 阳极过电位 ηb = 阴极过电位 E△pH = 由于阳极和阴极溶剂不同pH而导致的损失 Eionic = 运输损失 ET = 膜损失 Em = 离子损失

微生物燃料电池之原理
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿

2.无介体微生物燃料电池
指微生物燃料电池中的细菌能分泌细
微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等
胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由
不导电物质，对电子传递造成很大阻力，
细胞膜内转移到电极上。
需要借助介体将电子从呼吸链及内部代

目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌、
谢物中转移到阳极。在微生物燃料电池
地杆菌，酸梭菌、粪产碱菌、鹑鸡肠球菌
（nanowire）。
MFC的主要组成部分
生物燃料电池
微生物燃料电池组成
组成成分
原料
标注
阳极
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳
必需
阴极
石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳
必需
阳极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
必需
阴极室
玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃
非必需
质子交换膜
质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸
且不能被微生物利用。
阳极材料
一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,
如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和
加入其他的催化剂。
1.对材料的改性
• Zeikus等报道了用石墨阳极固定微生物来增加电流密度, 然
后用AQDS、NQ、Mn2+、Ni2+、Fe3O4、Ni2+来改性石墨作
为阳极。结果表明，这些改性阳极产生的电流功率是平板
必需
电极催化剂
铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体
非必需
生物燃料电池
• 质子交换膜(PEM)
PEM 对电池产电性能影响也很大。
在双室MFCs 中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室
和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极

目前，对深海环境设计的发电装置海底自动 发电机(Benthic Unattended Gen-erators BUGs)、单室反应槽MFC、UMFC等研究已经 取得了重大进展，而原料广泛、操作条件 温和、资源利用率高和无污染等优点使MFC 吸引了能源、环境、航天等各领域的广泛 关注。从理论上看，决定MFC输出功率密度 的主要因素是相关的电子传递过程，近年 来这方面研究的不断突破，有望使MFC 发 展瓶颈得以解决。
• 广泛的应用前景 原料广泛,条件温和而又清洁高效,微生物燃料电 池吸引了能源,交通,环境,航天等各方面的广泛关注。 人们希望研制出可用于宇宙飞船的电池,以宇航员的 生活废物为燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃 料电池如果应用于污水处理,既可分解其中的污染物, 又可产生电力供应自己和周围地区的需要;甚至,在 科幻电影中以天然食物为能源,可以通过"吃饭"来补 充能量的机器人也将成为现实。这是一个梦幻般的 前景,如果实现,我们将可以广泛使用到大量的,高效 的,清洁的能源。
• 1. 对微生物酶的外壳进行修饰,再将其固定到 电极表面从而实现电子的直接传递; 2. 在比微生物细胞更小的尺度上,接使用导 电聚合物固定酶,使导电聚合物深入到酶的活 性中心附近,从而大大缩短电子传递的距离,实 现电子的直接传递; 3. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子,以及 碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸 效应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快 速的电子传递。
从污水处理的研究上看，除了微生物群、质 子交换膜、阴极/阳极材料外，MFC的形状 设计对其性能也有重要影响，管状和上流 式的设计取得了较好效果。此外，现有的 MFC污染处理对象已包括含 N、S、Fe 等化 合物及有机化合物；随着更多的微生物群 得到研究，MFC处理污水的能力将扩展至更 大范围。

（5）由于微生物燃料电池的唯一产物是水，所以该技术无污染，可实 现零排放。
（6）能量利用率高，能量转化过程无燃烧步骤，可直接将化学能转化 为电能，能量利用效率较高。
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现状、应用及方向
微生物电解池（MEC），一种新型的利用废水产氢技术。由于产电细 菌能够释放电子，所以可以利用MFC形式的反应器进行产氢。微生物 氧化底物释放电子，这些电子与同步产生的质子结合形成氢气，但是 这个过程无法自行完成，需要一个电化学来辅助其产氢气。即在电路 中施以外加电压。所以这个过程也称为电辅助产氢。
MFC，英文全称为microbial fuel cell，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。主要分 为双室MFC和单室MFC。双室MFC由阳极区和阴极区组 成，中间用质子交换膜分开。而单室MFC即省去了阴极区， 阳极和阴极在同一个室内工作。
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发展历史
1911，英国植物学家potter，开创； 剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；
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总之，MFC的替代能源的发展，微传 感器的研究和水处理工艺的开发是一个良好 的前景，但是，在改善电化学性能的提高电 池的输出功率密度和更低的成本，电池还需 要继续探索深度。随着研究的不断深入的 MFC，MFC应用程序将为期不远工业化。
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质子透过材料可以是盐桥，也可以是多孔的瓷隔膜，理想 的材料是只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截 留的微孔材料。
现在试验中大多选用的是质子交换膜PEM。
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最新的研究表明，阴极是制约MFC产电的主要原因之一。 最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是从氧气的还原动 力学来看，氧气的还原速度较慢，这直接影响了MFC的产 电性能。于是在阴极加入各种催化剂来提高氧气的还原速 率的研究开始了。根据阴极催化剂的种类可以将MFC阴极 分为非生物阴极和生物阴极。

指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成co然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长
微生物燃料物 • Electricigens:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成 CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递 到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程 中获得能量支持生长。 • 产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆 菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等
动力学问题解决途径 ： 1）选择产电效率高的菌种； 2）选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池 中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出 功率； 3）增大阳极的表面积。
内阻问题：
内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电 池的输出功率方面具有重要作用。 1）PEM对内阻的影响 2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响 3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响
传递问题： 反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子 最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因 素。 氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解 度低。
各种形式的微生物燃料电池
电子传递 • 细胞膜直接传递电子 其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色 素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜 与电极材料的接触效率。 • 由中间体传递电子 氧化态中间体 还原态中间体 排除体外 电极表面被氧化
• 间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产生电子才能传递 到电极表面，如脱硫弧菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等； • 直接MFC：代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极 表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原红螺菌等；