2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较_骆海萍

2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较_骆海萍
2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较_骆海萍

微生物燃料电池的意义

1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器,选择最优的电极材料,并对电极间距,电极面积进行参数调整,进一步对反应器构型,循环流速,膜结构和反应条件进行优化,提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是基于传统的燃料电池(Fuel cell, FC)与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内,微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极,电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看,阳极作为产电微生物附着的载体,不仅影响产电微生物的附着量,而且影响电子从微生物向阳极的传递,对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此,从提高MFC的产电能力出发,选择具有潜力的阳极材料开展研究,解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响,对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中,高性能的阳极要易于产电微生物附着生长,易于电子从微生物体内向阳极传递,同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极,但是各种材料之间的差异,性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响(清华,钟登杰,小论文) 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究(哈工,尤世界,博士论文) MFC是一个新生事物,该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能,它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新,目前正在引起世界范围内的广泛关注,日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出,环境污染日益严重的今天,MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化,将会使废水处理技术发生一次新的革命,产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制,MFC离实际工程应用的距离还很遥远,相关研究刚刚起步,目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低,材料造价昂贵,反应器型式的不确定,有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上,很难实现商业化应用。因此,为了进一步提高MFC的产电功率密度,降低系统的基础和运行费用,研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式,为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑,促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践,需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点,开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究;弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1

微生物电化学测试系统技术参数

微生物电化学测试系统技术参数 1. 工作条件 1.1 电源:220V,50Hz; 1.2 仪器运行的持久性:仪器可连续正常运行; 1.3 工作条件及安全性要求符合中国及国际有关标准或规定。 2. 电化学测试系统 2.1 系统组成:电化学工作站主机1台、软件1套、电极线等配件若干; 2.3 槽压:±30V;施加电位:±10 V; 2.4 电位精度:±0.2%; 2.5 电位分辨率:0.3μV; 2.6 ★最大输出电流:±2A;最小电流1nA;可扩展到20A; 2.7 施加及测量电流精度:全量程±0.2%; 2.8 ★输入偏置电流:<1 pA;ECD最小电流分辨率:0.3fA(硬件测量),测试可自动扣除背景基线电流。 2.9 ★交流阻抗硬件输出频率范围:10μHz-32MHz;1Ω的样品在1Hz下的阻抗测量精度(阻抗精度图):0.3%;频率信号类型:单正弦波、五正弦波、十五正弦波; 2.10 阻抗模块除进行常规的交流阻抗测试外,可以调制外部信号,进行EHD,IMPS,IMVS测试。 2.11 仪器可扩BA双恒电位仪功能,能同时测试两个工作电极,共用辅助和参比。 2.12 仪器接口:USB;电极连接方式:2,3,4电极; 3. 微生物电解池 3.1 定制电解池; 3.2 预留测试窗口,微生物可直接在池内生长,直接进行电化学测试; 3.3 带通气口和出气口; 3.4 含定制的参比电极及辅助电极; 4. 电化学软件 4.1 软件可自由安装在任意一台计算机上并可脱机运行,用户可用其对测得的数据进行离线分析; 4.2 ★软件可以与第三方设备联用,如控制旋转圆盘电极转速、恒温槽,红外、紫外等;阻抗拟合软件最好具有最新开发的模型,以便能对数据进行深入解析。 4.3 软件支持修改内置标准测试方法,支持组合测试,支持用户创建自己的测试方法;软件兼容并支持LabView,VB等软件的控制,支持软件的二次开发。 5. 技术服务与售后要求 5.1 ★仪器厂家在湖北设有办事处,有售后工作服务人员;

微生物燃料电池高效电极与界面设计强化产电特性研究

目录 摘要 .......................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... I II 第 1 章绪论 (1) 1.1 课题来源 (1) 1.2 微生物燃料电池 (1) 1.2.1 微生物燃料电池工作原理及基本构型 (2) 1.2.2 微生物燃料电池分类 (4) 1.2.3 产电微生物胞外电子传递机制 (6) 1.3 阳极材料与分隔材料 (8) 1.3.1 阳极材料 (8) 1.3.2 分隔材料 (9) 1.4 微生物燃料电池空气阴极催化反应特性 (10) 1.4.1 空气阴极催化还原反应机理 (10) 1.4.2 阴极电子集流体 (11) 1.4.3 空气阴极扩散层 (11) 1.4.4 粘结剂 (12) 1.4.5 氧还原催化剂 (13) 1.5 微生物燃料电池的功能化研究 (16) 1.6 本论文的研究目的和意义 (18) 1.7 本论文的研究内容和技术路线 (19) 1.7.1 主要研究内容 (19) 1.7.2 研究技术路线 (20) 第 2 章材料与方法 (22) 2.1 化学试剂 (22) 2.2 微生物燃料电池反应器的构建 (23) 2.3 微生物燃料电池的接种、启动及稳定运行 (24) 2.4 微生物燃料电池电极材料及气体扩散电极的制备 (25) 2.4.1 材料预处理 (25) 2.4.2 不锈钢网基体气体扩散电极的制备 (25) 2.4.3 高效氧还原催化剂的制备 (27)

微生物燃料电池应用现状及发展前景

微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理,介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点,并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器,水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs),是一种以微生物为阳极催化剂,将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年,英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流,这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来,MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大,引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑,微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式,它利用细菌分解生物质产生生物电能,具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展王慧勇 微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展ResearchProgressinMicrobialFuelCellsforElectronsTransferofElectricigens 王慧勇1,2,3梁鹏2黄霞2王晓昌1。 (1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055); (2.清华大学环境科学与工程系.北京100084);(3.河北工程大学水电学院邯郸056021) 摘要微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。 关键词微生物燃料电池电子产生电子传递阳极材料 AbstraotMicrobialrueIeell(眦)cangenerateelectricitywhiletreatingwastewater。SOitisattractingwideattentionasanewtypeofenergyrecoverytechnology.Consideringtheprincipleofmierobialruelcells.theelectronstransfertowardsthesurfaceoftheanodeplaysanimportantroleincurrentgenerating.Theretore。thispaperfocusesontheelectronsproduc-tioninsidetheelectricigens。theelectronstransferfrommicrobestotheanodeandtheinfluencesoftheanodematerialsonelectricigensattachmentandelectronstransfer.Theprocessoftheelectronstransferisfullysummarizedaccordingtobio-chemistry。electrochemistryandmaterialsscience.Thekeypointsoftheelectronstransferareelucidated-whichprovidesnewideasfordevelopingnewandefficientanode materials. KeywordsMiorobialFuelCoilsElectronGenerationElectronTransferAnodicMateriaI 微生物燃料电池作为一种新型的能源回收技术自上个世纪60年代末开始成为研究的热点。该电池的工作原理是以阳极上(或阳极室内)微生物作为阳极催化剂,微生物将污水中的有机物分解并释放电子和质子,电子首先传输到阳极,再通过外电路负载到达阴极,由此产生电流;质子则从阳极室通过分隔材料达到阴极,在阴极上与电子、电子受体反应,完成电池内电流传递。同时微生物在电子传递过程中获得能量而支持生长。微生物燃料电池利用阳极微生物的生物氧化过程,其实质是脱氢、失电子、或与氧结合,有酶、辅酶、电子传递体的参与。所以微生物燃料电池又具有操作条件温和,一般只要求在近中性的常温、常压条件下工作的优点;同时微生物直接将氧化底物产生的化学能转化为电能,能量转化率较高,受到人们的广泛关注。 在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整个过程中,起决定作用的是电子在阳极部分的传递。而产电微生物能否快速地附着在阳极上,并顺利地将电子传递给阳极,阳极材料又是直接的决定因素。因此解析微生物电子传递机理,选择性能优良的阳极材料,分析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响,强化电子从微生物向阳极传递的过程,这对提高微生物燃料电池的产电能力具有十分重要的意义。 1电子的产生 产电微生物产生电子的过程即生物氧化过程,一般包括两条途径。 收稿日期:2008--05—24 基金项目:国家自然科学基金项目(20577027);863项目(2006AA062329);清华大学基础研究基金(JC2007006)资助。作者简介:王慧勇(1977一),女,河北唐山人,讲师。 一17—万方数据

微生物燃料电池

微生物燃料电池 12级新能源材料,程妮,学号106 微生物燃料电池(microbial fuel cells ,MFCs)是一种利用微生物作为催化剂,将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,是一种生物反应器。自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始,有关MFCs 的研究一直在进行,但进展缓慢。直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极,MFCs 的研究获得了突破性进展。目前,MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善,体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。 一、原理 微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,通过降解有机物(例如,葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等),产生电子和质子。产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥),也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递。如图所示为 MFCs 的工作原理示意图。 典型反应如下:阳极:C 6H 1206+6H 20一 6C02+24H ++24e - 阴极:602+24H ++24e -一一12H 20 二、微生物燃料电池的结构 微生物燃料电池主要有三种结构类 型,即单室结构、双室结构和填料式结构。[1] (一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂,无需曝气,因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。单室的功率密度为480~492mW /m 2,单室MFCs 无分隔材料和阴极液,内阻较双室小。但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10%,而双室则为42%~61%)。 (二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室,中间由PEM 或盐桥连接。双室的功率密度为38~42mW /m 2。 MFCs 从外形上又分为平板型和管

微生物燃料电池简介

微生物燃料电池简介 摘要:微生物燃料电池是一种新型的能源装置,具有污废弃物处理与同步产电的优点,应用范围广,具有巨大的潜在应用价值,本文对其做了一个简要的介绍。 关键词:微生物燃料电池污水处理产电 前言:微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物代谢生物质将化学能直接转变为电能的装置,兼具处理废水与产电的功能,从而大大降低污水处理成本。早在1911年英国植物学家Potte就发现利用酵母菌和大肠杆菌可以产生电流[1];但是一直未受到人们的关注。直到20世纪80年代美国科学家设计了一种利用宇航员的排泄物和活细菌作为电极活性物质的细菌电池,这种电池可为宇宙飞船提供电能,但其发电效率较低;到2004年,废水首次被用作MFC的燃料来发电,并获得了146±8mW m-2的功率密度。此后大量研究表明多种类型的废水都可以用于MFC中,MFC在废水处理方面的研究获得了较大进展。在近20年的研究中,MFC的规模在逐步扩大。目前,实验室所用MFC的大小从几微升到几升之间。产电功率得到了明显提升,产电功率已达到2.8kW m-3。近年来,对MFC 的研究逐渐引起了国内外研究学者的关注。 一、MFC的工作原理 一个典型的MFC 共由四部分组成:阳极、阴极、电解池和外电路。它以阳极室中的微生物作为催化剂,以阳极液中的有机物质作为燃料,利用微生物降解生物质,从而产生电子,产生的电子到达阳极,由阳极转移到外电路,最后通过外电路传递到阴极。微生物在降解有机物质产生电子的同时还产生质子,产生的质子通过两极室之间的质子交换膜到达阴极。在阴极催化剂的作用下,质子、电子和氧化剂发生反应生成还原剂。从而完成电池内的电流传递过程,产生电能。当外电路接入负载时,MFC 产生的电能足够多时,MFC 便能够支持负载工作。 二、MFC的分类 根据分类标准的不同,MFC的分类方法有所不同。 (一)根据不同类型的微生物,MFC可分为沉积物型、异养型和光能异养型三种类型。 (二)依据电池中电子不同的传输方式,MFC可分为介体MFC和无介体MFC。 (三)根据电子不同的传递方式可将MFC分为直接MFC和间接MFC。 (四)根据反应器外观上的不同可分为:双极室MFC和单室MFC。

微生物燃料电池电极材料的研究进展.

微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者:*** 北京化工大学化学工程学院,北京 *联系人,E-mail:********@https://www.360docs.net/doc/5c10177017.html, 摘要微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是将有机物转化为电能的装置,而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理,详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后,对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词:微生物燃料电池,电极材料,产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年,英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能,提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代,伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进,最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代,燃料电池产生新的突破,韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性,这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今,微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视,因为与其他有机产能技术相比,在操作和功能上,微生物燃料电池都具有明显的优势,比如说它既能保证能量转化的高效率,而且工作条件温和,因为产物大多数为Co2等无害气体,所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小,产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化,当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时,对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述,尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示,在阳极室,有机燃料被氧化失去电子并且产生质子,电子直接或间接到达阳极材料,然后通过外电路到达阴极形成电流,而质子通过质子交换膜到达阴极室,然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应,在其间存在较为复杂的电子转移问题,根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化,电子从燃料分子直接到电极上,此时,生物催化剂催化在电极表面的反应,而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化,通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上,这些有电子传递作用的介质叫做介体,在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。

铁强化微生物—电催化厌氧污水处理技术的研究

铁强化微生物—电催化厌氧污水处理技术的研究厌氧消化是处理中高浓度废水最现实、有效的方法之一。它将污水处理与污染物能源化相结合,在国内外得到广泛应用。 但是,产甲烷菌代谢缓慢且对环境条件敏感,其容易导致水解酸化过程和甲烷化过程失衡,从而引起有机酸积累、甲烷化抑制甚至厌氧过程的失败。因此,有必要研究强化有机酸高效降解以及提高厌氧甲烷化能力的新方法,提高厌氧处理效率,这对解决高浓度难降解有机废水的有效处理和污染物资源化利用具有重要意义。 针对以上问题,本论文利用零价铁的还原性和微生物异化铁(Ⅲ)还原的特性,将零价铁和三价铁分别置于厌氧反应器内用以强化厌氧消化的处理效果,重点开展了基于铁电极和铁氧化物的微生物电化学强化厌氧甲烷化技术的研究,考察了电化学强化技术、铁(0,Ⅲ)强化技术与厌氧生物处理的耦合关系和交互作用机制,结合分子生物学技术探索了铁(0,Ⅲ)和电与厌氧微生物之间的协同作用关系。主要研究内容和结果如下:(1)通过零价铁(ZVI)置于厌氧反应器内的方法有效增强了处理含硫酸盐废水过程中的厌氧甲烷化。 结果表明,零价铁作为还原剂可有效缓冲酸性、维持厌氧体系中性的pH(7-8)从而减弱了硫酸盐还原产生的硫化氢对厌氧甲烷化的抑制作用,实现了较高的COD去除率和甲烷产量。分子生物学实验结果表明该反应器底部硫酸盐还原菌为优势菌而上部则以产甲烷菌为主导。 该方法实现了微生物群落的功能化分区,这与两相厌氧反应器处理含硫酸盐废水较相似,却在单一反应器内实现。同时,这表明零价铁的加入有助于强化厌氧甲烷化过程。

(2)采用将Fe203置于酸化硫酸盐还原反应器内的方法,强化了硫酸盐废水 处理过程中有机酸的降解。研究结果发现Fe203的加入可促进微生物异化Fe(Ⅲ)还原过程,其协同硫酸盐还原过程增强了有机酸的降解能力,从而实现了酸化硫 酸盐还原反应器较高的COD去除率(27.3%)和硫酸盐还原率(57.9%)。 分子生物学的定性和定量分析结果表明该方法实现了铁还原菌、硫酸盐还原菌和酸化菌的共生并大量富集,其中硫酸盐还原菌Desulfovibrio marrakechensis和铁(Ⅲ)还原菌Iron-reducing bacteria HN54的含量均明显 高于参比反应器。(3)由(1)部分可知,零价铁可促进厌氧甲烷化过程,基于此构建了使用铁电极为阳极的生物电解池(MEC)-上流式厌氧污泥床反应器(UASB)装置,即将一对铁-石墨电极置入厌氧反应器内并施以适当的电压。 零价铁的加入可强化厌氧过程(包括强化厌氧还原氛围和厌氧菌生长),从而实现了其对含盐废水、染料废水和含氮废水的有效处理。此外,该反应器对有机废水的厌氧水解酸化过程也表现出了明显促进作用。 针对含盐废水的处理,该反应器表现出了较高的耐盐能力和有机物降解能力。在较高盐度条件下(50g/L),该反应器(外加电压1.2V)的COD去除率达到了93% 且有机酸去除率较高,而参比反应器的COD去除率降为53%且发生了严重的有机 酸积累。 分子生物学实验表明该反应器富集了大量的耐盐古菌和耐盐细菌且食丙酸 盐细菌的丰度较高;针对高浓度偶氮染料废水(1200mg/L活性艳红X-3B)的处理,该反应器表现出了较高的脱色能力(83.4%)和COD去除能力(84.7%)。阳极腐蚀释放的Fe2+与电场的耦合作用强化了胞外聚合物的产生。 微生物群落结构的动态分析表明基于铁电极的电场作用可显著加快微生物

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展 谢丽,马玉龙 宁夏大学,宁夏银川 750021 摘要:产电微生物向阳极转移电子的能力是影响微生物燃料电池功率密度的主要内因。文章从电子由细胞内传递至细胞表面,再从细胞表面转移至阳极2 个环节介绍了电子传递机制,着重从种类和各自的特点出发全面综述了 MFC 产电微生物的研究进展,最后提出了产电微生物在MFC 系统中进一步的研究方向。 关键词:微生物燃料电池;产电微生物;电子传递机制 中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1002- 204X(2011)07- 0104- 04 随着人口的增长,社会和经济的发展,全世界范围内以不可再生资源(石油、煤和天然气)为主要能源的状况在未来将难以继续。人类面临能源危机的同时,还要面对因使用这些化石燃料对环境造成的破坏从而导致的全球气候恶化等影响。因此,开发和利用可再生能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。 发现于 1911 年的微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)作为一种利用微生物代谢产生电能的方法,在 20 世纪90 年代初开始受到关注,研究人员在 MFC 领域展开了大量的工作,并取得了显著成果。 目前,MFC 的研究还处于实验室阶段和小规模试验阶段,功率输出比较低,这与电池构型、电极材料、膜材料、产电微生物等多方面的因素有关,但产电微生物氧化有机物并向阳极传递电子的能力是影响 MFC 电能输出的主要内因。因此,选择高效的产电微生物至关重要。 1 MFC工作原理 MFC 可以利用各种有机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵产物、污水等作为燃料,通过微生物作用进行能量转换,把代谢产生的电子传输到细胞表面上,然后电子从细胞表面通过电子传递中介体(由人工添加或微生物自身代谢产生)或直接接触转移到电池阳极,经外电路,阳极上的电子到达阴极,产生外电流;同时将产生的质子通过质子交换膜(PEM)传递到阴极室,在阴极与电子、氧气反应生成水,实现电池内电荷的传递,从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程。图1为双室型微生物燃料电池的构造图。 2 MFC 产电微生物的电子传递机制 据研究发现产电微生物向阳极传递电子分2步走,第1步是电子在细胞内产生并向细胞表面传递;第2 步是电子到达细

生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展

Development of Energy Science November 2014, Volume 2, Issue 4, PP.39-46 Research Advances in Microbial Electron Transfer of Bio-electrochemical System Yunshu Zhang, Qingliang Zhao #, Wei Li School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China #Email: qlzhao@https://www.360docs.net/doc/5c10177017.html, Abstract Bio-electrochemical system (BES) was an emerging biomass-energy recovery technology based on electricigens electron transfer (EET), which was applied to recover electric energy (e.g. microbial fuel cell, MFC) and resources (such as hydrogen and methane) and to enhance the removal of heavy metals and refractory organic pollutants (e.g. POPs). The process of electron transfer to the electrode was identified as the key process in such a BES system. In this paper, the recent research achievements about EET both at home and abroad were analyzed and summarized, and the electricigen diversity, the electron transfer pathways and study methods were systematically presented. Finally, the direction of EET research was pointed out. Keywords: Bio-electrochemical System; Microbial Fuel Cell; Electricigens; Electricigen Electron Transfer 生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展* 张云澍,赵庆良,李伟 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150090 摘要:生物电化学系统(bio-electrochemical system,BES)是一种新兴的以产电微生物电子传递(EET)为基础的生物质能源回收技术,可用于电能(如微生物燃料电池)和资源回收(包括氢气和甲烷等),此外还可用于强化重金属与难降解有机污染物(如POPs)的去除,而其中产电微生物将产生的电子传递到电极是BES的重要过程。本文分析总结了近年来国内外学者在EET方面的研究成果,系统地介绍了产电微生物的多样性、EET的途径和研究电子传递的方法,在此基础上指明了EET研究的发展方向。 关键词:生物电化学系统;微生物燃料电池;产电微生物;产电微生物电子传递 引言 生物电化学系统(bioelectrochemical system,BES)近年来在环境和能源领域受到广泛的关注。BES是微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)研究的拓展,MFC的发现最早追溯到上个世纪初,英国的植物学家Potter在进行厌氧培养时发现可以产生开路电压和电流,拉开了微生物产电研究的序幕[1]。随着化石燃料短缺带来的能源危机,生物质能源作为可再生能源逐渐受到人们的重视。到了20世纪中叶,针对微生物产电的研究才逐渐升温,将微生物产电和燃料电池技术相结合,构建了MFC系统。近几年,MFC从产电研究逐渐过渡到生物质资源化的应用方面,BES应运而生。研究发现,通过BES,CH4[2]、H2[3]等高附加值生物能源的合成效率显著提高;BES能够有效提高重金属的还原去除,如U(Ⅵ)[4]、Cr(Ⅵ)[5]等;BES可以应用于难降解有机污染物的去除,如石油烃[6]、多氯联苯和硝基苯等[7];BES应用于脱盐的研究,发现BES可以有效地去除溶液中的阴、阳离子[8]。随着对BES研究的逐渐深入,BES的应用前景会更加广阔。其中电子传递过程是BES研究的重要理论基础,因此对电子传递过程的深入研究是十分有意义的。 *基金资助:本研究得到国家自然科技基金支持资助(51378144)。

高中化学二轮复习试题微生物燃料电池

2020届届届届届届届届届届届届届 ——届届届届届届届 1.一种微生物[化学成分表示为C m(H2O)n]燃料电池的结构如图所示。关于该电池的叙 述正确的是 A. 电池工作时,电子由a流向b B. 微生物所在电极区放电时发生还原反应 C. 放电过程中,H+从正极区移向负极区 D. 正极反应式为MnO2+4H++2e?=Mn2++2H2O 2.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的 是( ) A. 该电池能够在高温下工作 B. 电池的负极反应为C6H12O6+6H2O?24e?=6CO2↑+24H+ C. 放电过程中,H+从正极区向负极区迁移 D. 在电池反应中,每消耗1 mol氧气,理论上能生成标准状况下CO2气 体22.4/6L 3.微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料 电池的工作原理如图所示,下列说法正确的是 A. 若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,则有0.45molH+通过质子 交换膜 B. 电子从b流出,经外电路流向a C. 如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化 D. HS?在硫氧化菌作用下转化为SO42?的反应为:HS?+4H2O? 8e?=SO42?+9H+ 4.微生物燃料电池具有广阔的应用前景。以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池反应原理 如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( ) A. 该电池工作时电能转化为化学能 B. 该电池中电极b是正极 C. 外电路中电子由电极a通过导线流向电极b D. 该电池的总反应:C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O 5.一种微生物燃料电池如图所示,下列关于该电池的说法正确的是() A. a电极发生还原反应 B. 每反应1 mol乙酸,电路中转移4 mol电子

电化学工作站在微生物电化学技术及土壤修复方面的应用研究

电化学工作站在微生物电化学技术及土壤修复方面的应用研究[摘要]详细介绍了电化学技术的各种类型,并综述了电化学技术在环保领域的研究、应用及发展状况。 [关键词]电化学;废水处理;废气处理;环境保护 [引言]电化学技术通过方便地控制电极电势就可以实现物质的氧化或还原。该技术可以用于工业产品的生产,是一种基本上对环境无污染的“绿色”生产技术,同时可应用于环境污染治理,通过氧化或还原反应除去对环境有害的物质[1] 。电化学技术在国内外都得到了重视,尤其是对难生物降解且对人类危害极大的“三致”(致癌、致畸、致突变)有机污染物的电化学处理技术的研究。此外,应用电化学技术进行环境污染物监测以及开发化学电源,在环境保护中都具有广泛的应用前景。 1 基本类型 主要的电化学处理技术包括: (1)电凝聚(或电气浮)法:电凝聚法也叫电气浮法,即在外电压作用下利用可溶性阳极(铁或铝)产生大量阳离子,对胶体污染物进行凝聚,同时阴极上析出大量氢气微气泡,与絮体粘附在一起上浮,从而实现污染物的分离[2] 。 (2)电化学氧化法:该法分为直接氧化法和间接氧化法两种,均属于阳极过程。直接氧化法是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质;间接氧化法则是通过阳极反应之外的中间反应,使污染物氧化,最终转化为无害物质[3] 。 (3)电沉积法:该法利用电解液中不同金属组分的电势差,使自由态或结合态的溶解性金属在阴极析出。适宜的电势是电沉积发生的关键。 (4)内电解法:该法作为一种新兴的技术,是利用活性金属填料在废水中形成原电池的原理,通过填料表面电化学反应和后絮凝作用达到净化废水的目的。 (5)其它电化学工艺:电吸附、电渗析、离子交换辅助电渗析以及电化学膜分离等技术[4] 不仅可以用作清洁生产工艺,预防环境污染,而且它们也是有效的工业废水处理方法。电吸附法可以用来分离水中低浓度的有机物和其它物质。电渗析法可处理含Ni2+、CrO2-4、Sn2+、PO3-3和PO3-2等污染物的工业废水。离子交换辅助电渗析法具有可多样化设计、适

微生物燃料电池

微生物燃料电池 1.引言 能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。经济发展的同时,能源消耗也在急剧增长,而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。寻找新型能源,实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。清洁能源的发展则成为解决问题的关键。与此同时,不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。 微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。首先,微生物电池的燃料来源比较多样化,如多种有机无机材料,甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能,净化环境。其次,微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入,满足环境友好型电池的需求。此外,微生物燃料电池的能量转化效率非常高,可以发展成长效、低廉的能量系统;加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作,实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。 微生物燃料电池的发展历史中,经历了几次重大进步。1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验,首次实现了微生物产电,从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。20世纪80年代,细菌发电取得重大进步,随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高,其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。2002年以后,微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段,研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池,也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。近年来,微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。 2.微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换,把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置,能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物,并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。原理如图1所示[3]。微生物燃料电池中,氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极,电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极,而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极,在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。

微生物燃料电池练习题

微生物燃料电池与电解氯化铝制备单质铝 Ⅰ.美国俄勒冈州立大学的研究团队近日在英国《能源与环境科学》期刊发表了一篇文章,阐述了他们的发明:利用微生物燃料电池从废水里面提取出电能。参与该研究的一位教授解释说:“废水中其实含有巨大的电能,但它们通常都被捆绑在有机分子上,非常难提取和利用。我们发明了一种新型的微生物燃料电池,里面的微生物在产出净水的时候,是要吃进有机物的,但我们给系统接上了阴极和阳极,利用两电极之间的吸力先将附在有机分子上的电子吸出来,让它们形成一股电流,从而产生了电能。” 1.请你用“化学语言”简要复述这位教授的解释。 2.请你分析这项发明的前景。 3.利用微生物发电也有其他形式,比如沼气发电,其原理是利用微生物先生成甲烷,再转化为电能。在通常情况下,8gCH4完全燃烧生成CO2和液态H2O时,放出445 kJ的热量。写出热化学方程式 现有一碱性(利用KOH溶液做电解质溶液)甲烷燃料电池,请你写出该电池的电极反应式:负极: 正极: 在电池工作时,负极周围溶液的pH(忽略溶液体积的变化)(选填“变大”“变小”或“基本不变”) 若用甲烷燃料电池作为电源电解饱和食盐水制备烧碱和氯气,从理论上计算,160kgCH4产生的电能最多可制取多少吨30%的烧碱溶液?同时获得多少立方米(标准状况)氯气? Ⅱ.1.电解法用来制备比较活泼的金属。其前提是该化合物必须是() A.碱性氧化物 B.金属氧化物 C.共价化合物 D.离子化合物 2.制备铝单质就是在加入冰晶石(助熔剂)的条件下,高温电解熔融Al2O3,电解槽的阳极材料一般选用,在实际生产过程中,需要定期补充该材料,这是因为 。 3.过去认为不可能用电解AlCl3来制铝的,但近年来,这种说法被打破,比如电解NaCl-AlCl3熔盐体系制金属铝,并取得初步研究成果。工艺如下:用氧化铝为原料,制得无水AlCl3,再制备AlCl3离子型液体(例如AlCl3-NaCl),以此AlCl3离子型液体进行电解。 实验证明,在阳极发生的电解反应是AlCl4-失去电子生成离子Al2Cl7-,试写出该电极反应式。 生成的Al2Cl7-离子移动到阴极,并在阴极得电子生成Al单质。试写出该电极反应式

电化学生物传感器的应用实例zhuyue

电化学生物传感器的应用实例 摘要:生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支, 它具有专一、高效、简便、快速的优点, 已应用于生物、医学及工业分析等方面。目前,生物传感器正进人全面深人研究开发时期,各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。相信在不久的将来,生物传感器的面貌会焕然一新。 关键词:生物传感器,应用 引言 生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。 最早的生物传感器发明于1962年,英国Clark[1]利用不同的物质与不同的酶层发生反应的工作原理,在传统的离子选择性电极上固定了具有生物功能选择的酶,从而构成了最早的生物传感器一一酶电极。生物传感器的研究全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。 1 工作原理及其分类 1.1 工作原理 传感器主要由信号检测器和信号转换器组成,它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号,如电信号、光信号等。生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件。换句话说,它是利用生物的或有生命物质分子的识别功能与信号转换器相结合,将生物反应所引起的化学、物理变化变换成电信号、光信号等。Rogers[2]等人将生物传感器定义为:由生物识别单元,如酶、微生物、抗体等和物理转换器相结合所构成的分析仪器,生物部分产生的信号可转换为电化学信号、光学信号、声信号而被检测。可见,任何一个生物传感器都具有两种功能,即分子识别和信号转换功能。 1.2 主要分类 生物传感器的分类方式很多,但根据生物学和电子工程学各自的范畴,主要有以下两种分类方式。 (1)根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分类 生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同,生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。(2)根据生物传感器的信号转换器分类

奇妙的微生物产电 能源利用

大力发展新能源,建设绿色社会 引言: 在党的十七大提出“在新的发展阶段继续全面建设小康社会,发张中国特色社会主义,必须坚持以邓小平理论和‘三个代表’重要思想为指导,深入贯彻落实科学发展观。”而怎样通过技术等手段开发新的绿色能源,也成为社会发展的重要课题。 关键词:绿色新能源 一能源发展历史 人类对能源的利用主要有三大转换:第一次是煤炭取代木材等成为主要能源;第二次是石油取代煤炭而居主导地位;而当今世界是在石油逐渐枯竭的状况下向多能源结构的过渡转换。 18世纪前,人类只限于对风力、水力、畜力、木材等天然能源的直接利用,尤其是木材,在世界一次能源消费结构中长期占据首位。蒸汽机的出现加速了18世纪开始的产业革命,促进了煤炭的大规模开采。到19世纪下半叶,出现了人类历史上第一次能源转换。1860年,煤炭在世界一次能源消费结构中占24%,1920年上升为62%。从此,世界进入了“煤炭时代”。 19世纪70年代,电力代替了蒸汽机,电器工业迅速发展,煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。1965年,石油首次取代煤炭占居首位,世界进入了“石油时代”。 1979年,世界能源消费结构的比重是:石油占54%,天然气和煤炭各占18%,油、气之和高达72%。石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。因此,石油是现在世界上利用最多的能源,并且面临着枯竭的危机。 化石燃料的大量利用破坏了生态环境,间接上对人类的发展也造成了不良的影响。因此,发展新能源,向多能源结构的过渡是当今人类所不可避免的。 就我国来看,能源消费也面临着诸多问题,最突出的就是能源丰富而人均消费量少。我国能源虽然丰富,但分布很不均匀,煤炭资源60%以上在华北,水力资源70%以上在西南,而工业和人口集中省一市能源缺乏。虽然在生产方面,自解放后,能源开发的增长速度也是比较快,但由于我国人口众多,且人口增长快,造成我国人均能源消费量水平低下。 而能源构成以煤为主,也造成了严重的环境问题。从目前状况看,煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上,成为我国主要的能源,煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。以煤为主的能源构成以及62%的燃煤在陈旧的设

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