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微生物燃料电池

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微生物燃料电池MFC),或者生物燃料电池,是一个生物电化学系统[1]通过使用细菌并模仿自然界中细菌的相互作用来驱动电流。MFC可以分为两大类:有介质的和无介质的。第一个MFC在20世纪初被证明使用了一种介质:一种将电子从细胞中的细菌转移到阳极的化学物质。无介质的MFCs出现于20世纪70年代;在这种类型的MFC中,细菌通常含有具有电化学活性的氧化还原蛋白质,如其细胞膜上的细胞色素,可将电子直接转移到阳极。[2][3]21世纪,MFC开始在废水处理中找到商业用途。[4]

1 历史编辑

使用微生物产生电能的想法是在二十世纪初提出的。M. C .波特于1911年提出了这个课题。[5]波特设法利用酿酒酵母发电,但这项工作几乎没有得到报道。1931年,布拉内特·科恩创造了微生物半燃料电池,当串联连接时,仅用2 毫安的电流就能产生超过35伏的电压[6]

DelDuca等人利用葡萄糖发酵产生的氢气进行的研究,丁酸梭菌作为氢和空气燃料电池阳极的反应物。尽管该电池起作用,但由于微生物制氢的不稳定性,它是不可靠的。[7]铃木等人在1976年解决了这个问题,[8]一年后他成功地完成了MFC的设计。[9]

20世纪70年代末,人们对微生物燃料电池的功能知之甚少。罗宾·艾伦和彼得·本尼托后来研究了这个想法。人们认为燃料电池是发展中国家发电的一种可能方法。本尼托的工作始于20世纪80年代初,帮助人们了解燃料电池工作原理,很多人把他当作微生物燃料电池的最高权威。

2007年5月,澳大利亚昆士兰大学与福斯特酿酒公司合作完成了MFC原型。这个10升的设计原型将啤酒厂的废水转化为二氧化碳、洁净水和电力。该组织计划为即将召开的国际生物能源会议创建一个试点规模的模型。[10]

2 定义编辑

微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物作用将化学能转化为电能的装置。[11]这些电化学电池是使用生物阳极/或生物阴极构建的。大多数MFC包含一层膜,用于分隔阳极(氧化发生的地方)和阴极(还原发生的地方。氧化过程中产生的电子直接转移到电极或氧化还原介质中。电子通量被移动到阴极。系统的电荷平衡由细胞内的离子运动补偿,通常是通过离子膜。大多数MFC使用有机电子供体被氧化产生二氧化碳、质子和电子。其他电子供体也有报道,如硫化合物或氢。[12]阴极反应使用各种电子受体,包括氧的还原,这是研究最多的过程。然而,已经研究了其他电子受体,包括还原金属的回收,[13]水转化为氢,[14]硝酸盐还原和硫酸盐还原。

3 应用编辑

3.1 发电

MFC对于那些只需要低功耗,但更换电池可能不切实际的发电应用程序(如无线传感器网络)很有吸引力。[15][16][17]

实际上,任何有机材料都可以用于给燃料电池供电,包括将电池连接到污水处理厂。化学处理废水[18][19]和合成废水[20][21]已被用于在双室和单室无介质MFC(未涂覆的石墨电极)中产生生物电。

生物膜覆盖石墨阳极具有更高的产电量。[22][23]燃料电池的排放远远低于监管限制。[24]微型燃气轮机比受卡诺循环限制的标准内燃机更有效地利用能量。理论上,MFC的能效远远超过50%。[25]Rozendal获得了常规制氢技术8倍的氢能量转换。

然而;MFC也可以在较小的规模上工作。在某些情况下,电极只需要7微米厚,2 厘米长。[26]这样,MFC就可以替换电池。它提供了一种可再生能源,不需要充电。

MFC在20°C到40°C,以及pH值在7左右的温和条件下运行良好。[27]它们缺乏长期医疗应用(如起搏器)所需的稳定性。

发电站可以,以藻类等水生植物为基础。如果紧邻现有的电力系统,MFC系统可以共享其电力线。[28]

3.2 教育

基于土壤的微生物燃料电池是一种教育工具,因为它们包含多个科学学科(微生物学、地球化学、电气工程等)。并且可以使用常见的材料制成,例如土壤和冰箱中的物品来制造。为家庭科学项目和教室提供工具包。[29]教室中使用微生物燃料电池的一个例子是托马斯杰斐逊科学技术高中的IBET(综合生物学、英语和技术)课程。国际微生物电化学和技术学会(ISMET学会)也有一些教育视频和文章[30]

3.3 生物传感器

微生物燃料电池产生的电流与用作燃料的废水的能量含量成正比。MFC可以测量废水的溶质浓度(即作为生物传感器)。[31]

废水通常根据其生化需氧量(BOD)值进行评估。BOD值是通过将样品与适当的微生物源孵育5天来确定,微生物源通常是从废水处理厂收集的活性污泥。

MFC型生化需氧量传感器可以提供实时生化需氧量值。与电极相比,氧和硝酸盐是首选的电子受体,可以减少MFC产生的电流。MFC型BOD传感器低估了存在这些电子受体时的BOD值。这可以通过使用末端氧化酶抑制剂如氰化物和叠氮化物抑制MFC中的有氧和硝酸盐呼吸来避免。[32]这种生化需氧量传感器可在市场上买到。

美国海军正在考虑将微生物燃料电池用于环境传感器。使用微生物燃料电池为环境传感器供电,将能够提供更长时间的电力,并能够在没有有线基础设施的情况下收集和检索海底数据。这些燃料电池产生的能量足以在初始启动时间后维持传感器。[33]由于海底条件(高盐浓度、波动的温度和有限的营养供应),海军可能会部署含有耐盐微生物混合物的MFC。混合物可以更充分地利用现有的营养。希瓦氏菌是它们的主要候选材料,但也可能包括其他耐热和耐寒材料希瓦氏菌属[34]

研制了第一个自供电和自主的生化需氧量/化学需氧量生物传感器,可以检测淡水中的有机污染物。该传感器仅依靠MFC产生的功率,无需维护即可连续运行。生物传感器打开警报通知污染水平:信号频率的增加警告更高的污染水平,而低频通知低污染水平。[35]

3.4 生物修复

2010年,A. ter Heijne等人[36]建造了一个能够发电,并将铜离子还原为铜金属的装置。

微生物电解池已被证明能产生氢气。[37]

3.5 废水处理

微生物燃料电池用于水处理,利用厌氧消化获取能量。这个过程也可以减少病原体。然而,它需要30℃以上的温度,并且需要额外的步骤来将沼气转化为电能。螺旋隔板可以通过在MFC中产生螺旋流,来增加发电量。由于更大表面积对功率输出提出了挑战,因此扩展MFC是一个挑战。[38]

4 类型编辑

4.1 介质

大多数微生物细胞都没有电化学活性。电子从微生物细胞转移到电极是通过介质,如劳氏紫、甲基紫精、甲基蓝、腐植酸和中性红。[39][40]大多数可用的介质昂贵且有毒。

4.2 无介质

植物微生物燃料电池(PMFC)

无介质微生物燃料电池,使用电化学活性细菌,将电子转移到电极(电子直接从细菌呼吸酶转移到电极)。其中,电化学活性的细菌包括腐败希瓦氏菌,[41] 嗜水气单胞菌[42]等。一些细菌能够通过其外膜上的菌毛转移它们的电子产生。无介质的MFC的特性较差,例如系统中使用的菌种、离子交换膜的类型和系统条件(温度、pH等)。)

无介质微生物燃料电池可以在废水上运行,并直接从某些植物中获得能量。这种配置被称为植物微生物燃料电池。可能的植物包括苇状甜草、网茅、水稻、西红柿、羽扇豆和藻类。[43][44][45]考虑到能量来自活的植物(就地发电),这种变体可以提供生态优势。

4.3 微生物电解

无介质MFC的一种变体是微生物电解池(MEC)。虽然MFC通过细菌分解水中的有机化合物产生电流,但MECs通过向细菌施加电压部分逆转了产生氢气或甲烷的过程。这补充了微生物分解有机物产生的电压,从而导致了电解水或甲烷的产生。[46][47]与MFC原理完全相反的是,在微生物电合成中,细菌利用外部电流将二氧化碳还原成多碳有机化合物。[48]

4.4 基于土壤

一种基于土壤的微生物燃料电池

基于土壤的微生物燃料电池坚持MFC的基本原理,土壤作为营养丰富的阳极介质、接种剂和质子交换膜(PEM)。阳极位于土壤的特定深度,而阴极位于土壤的顶部并暴露于空气中。

土壤中自然充满了各种各样的微生物,包括MFCs所需的致电细菌,并且充满了从植物和动物物质腐烂中积累的复杂糖和其他营养物质。此外,土壤中存在的需氧(耗氧)微生物充当氧气过滤器,很像实验室MFC系统中使用的昂贵的PEM材料,这导致土壤的氧化还原电位随着深度的增加而降低。基于土壤的MFC正在成为科学课堂上流行的教育工具。[29]

沉积物微生物燃料电池 (SMFCs) 已被应用于废水处理。简单的SMFCs可以在净化废水的同时产生能量废水。大多数这样的SMFCs包含模仿人工湿地的植物。到2015年,SMFC试验已经超过150 I[49]

2015年,研究人员宣布了一种SMFC应用程序,可以提取能量并为电池充电。盐在水中分解成带正电荷和负电荷的离子,移动并附在各自的负极和正极上,给电池充电,从而有可能除去影响微生物容性脱盐的盐。微生物产生的能量超过脱盐过程所需的能量。[50]

4.5 光养生物膜

光营养生物膜MFCs (ner)是一种含有光合微生物的光营养生物膜阳极。它们进行光合作用,从而产生有机代谢产物并提供电子。[51]

一项研究发现,光营养生物膜MFC显示的功率密度足以用于实际应用。[52]

在阳极使用纯氧光合材料的光养性MFC的子类,有时被称为生物光伏系统。[53]

4.6 纳米多孔膜

美国海军研究实验室开发了纳米多孔膜微生物燃料电池,它使用非质子交换膜在电池中产生被动扩散。[54]薄膜是一种无孔聚合物过滤器(尼龙、纤维素或聚碳酸酯)。它提供与Nafion (一种众所周知的质子交换膜)相当的功率密度,具有更高的耐用性。多孔膜允许被动扩散减少向MFC提供的必要功率,以保持质子交换膜的活性并增加总能量输出。[55]

不使用膜的MFC可以在有氧环境中部署厌氧菌。然而,无膜MFC会受到本土细菌和供电微生物的阴极污染。纳米多孔膜的被动扩散可以实现无膜MFC的优点,而不用担心阴极污染。

纳米多孔膜也比Nafion便宜11倍(Nafion-117,0.22美元/cm2,相对于聚碳酸酯,< 0.02美元/cm2)。[56]

4.7 陶瓷膜

质子交换膜可以用陶瓷材料代替。陶瓷膜的成本可以低至5.66美元/m2。陶瓷膜的大孔结构允许离子物质的良好传输。[57]

已经成功应用于陶瓷MFC的材料有陶器,氧化铝,多铝红柱石,叶蜡石和陶瓦。[57][58][59]

5 生成过程编辑

当微生物在有氧条件下消耗糖等物质时,它们会产生二氧化碳和水。然而,当氧气不存在时,它们会产生二氧化碳、质子/氢离子和电子,如下所述:[60]

C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e

()

微生物燃料电池利用无机介质进入细胞的电子传递链并引导产生的电子。介质穿过细胞外脂膜和细菌外膜;然后,它开始从电子传递链中释放电子,而电子传递链通常会被氧或其他中间体占据。

被还原的介质离开充满电子的细胞,转移到电极上;这个电极成为阳极。电子的释放将介质再循环到它最初的氧化状态,准备重复这个过程。这只能在无氧条件下发生;如果氧存在,它将收集电子,因为它具有更强的电负性。

在MFC操作中,阳极是阳极室中细菌识别的末端电子受体。因此,微生物活性强烈依赖于阳极的氧化还原电位。在阳极电位和乙酸驱动的MFC的功率输出之间获得了米切里斯-门登曲线。临界阳极电位似乎能提供最大功率输出。[61]

潜在的介质包括天然红、亚甲蓝、劳氏紫和间苯二酚。[62]

能够产生电流的生物体被称为外生电体。为了将该电流转化为可用的电流,外生电体必须容纳在燃料电池中。

介质和微生物(如酵母)混合在溶液中,向溶液中加入底物(如葡萄糖)。将该混合物置于密封的室内以阻止氧气进入,从而迫使微生物进行无氧呼吸。在溶液中放置一个电极作为阳极。

在MFC的第二室中是另一种溶液和带正电荷的阴极。它相当于生物细胞外部电子传输链末端的氧吸收池。溶液是一种在阴极吸收电子的氧化剂。就像酵母细胞中的电子链一样,这可以是多种分子,如氧,尽管更方便的选择是固体氧化剂,它需要更少的体积。

连接两个电极的是导线(或其他导电路径)。完成回路并连接两个室的是盐桥或离子交换膜。最后一个特性允许产生质子(如Eqt. 1所述),从阳极室传到阴极室。

还原介质将电子从电池带到电极。在这里,介质在沉积电子时被氧化。然后,这些电流通过导线流向第二电极,第二电极充当电子接收器。它们从这里进入氧化物质。氢离子/质子也通过质子交换膜(如nafion )从阳极移动到阴极。它们会转移到浓度梯度较低的地方并与氧结合,但要做到这一点,它们需要一个电子。形成电流,氢被用来维持浓度梯度。

已经观察到,藻类生物量在用作微生物燃料电池的底物时,会产生高能量。[63]

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