微生物电池技术

微生物电池技术（精选9篇）

微生物电池技术 篇1

1 能源和环境面临的问题与微生物燃料电池

能源紧张和环境污染是我国现代社会可持续发展面临的两大主要挑战。1975年的世界人口比1925年增加了一倍,世界能源的总消耗量却增长了4.5倍,并且随着社会经济的不断发展,能源的消耗必将呈现持续增加的状态。研究表明,每十年人类消耗的能源总量将翻一倍,并且在未来十年能源消耗的总量将等同于自古至今人类消耗的能源总量[1]。随着社会经济不断发展,对能源的大量消耗而导致环境质量的严重恶化,尤其是碳排放增加引起的温室效应将对全球气候长期影响。面对能源供应持续偏紧、能源价格高、能源开发利用与环境保护的矛盾突出和能源利用效率较低等严峻形势,全世界必将为能源付出更大的代价。因此,通过节约能源或实现新型能源的替代来实现环境效益、经济效益和社会效益的统一是目前面临的最主要的研究课题。

正在兴起的微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)研发为可再生能源生产和废弃物处理提供了一条新途径。目前污水处理仍以耗能较高的好氧曝气处理为主,利用厌氧发酵产甲烷的处理往往因有机污染物浓度较低在经济上不可行。持续增长的污水排放量需要不断花费巨资来处理。MFC兼具了污水处理厂厌氧池和曝气池的特征,阳极室为厌氧发酵区,阴极室为好氧环境,但不需要曝气[2],既节约了成本,也可产生电能。许多研究表明,MFC技术具有处理工业污水[3]、生活污水[4]、动物养殖场污水[5]和人工合成污水[6]的潜力。MFC中微生物降解有机物和产生电流的原理,也可用于研制监测水中BOD含量的生物传感器[7,8]。传统的BOD5或BOD7的测定方法是普遍采用的标准方法,但具有耗时长、数据难以自动上线而无法快速反馈的缺点,然而MFC原理的生物传感器则可以克服传统方法的缺陷。

MFC在一些高端技术领域有着十分广阔的应用前景。将阳极插入海底沉积物,阴极置于临近海水中可收集到天然的、由微生物代谢产生的海底电流,可为海底无光照条件下监测来往船舰的仪器提供电源,这一设想得到美国海军多个项目的支持。海底MFC功率的大小取决于电极设计、沉积物组成、温度和海水含氧量等因素。MFC在偏远地区进行无线数据传输和太空站进行废物循环利用等方面也具有应用前景[9]。最近,MFC领域内一个很活跃的方面是开发为人体植入装置如心脏起博器等解决能源供应的技术。MFC可利用体液或血液中的代谢物如葡萄糖和乳酸等作为燃料,产生电力,但这方面还有许多技术问题需要进一步研究[10]。

2 MFC产能原理和效率

MFC本质上是收获微生物代谢过程中生产的电子并引导电子产生电流的系统。MFC的功率输出取决于系统传递电子的数量和速率以及阳极与阴极间的电位差。由于MFC并非一个热机系统,避免了卡诺循环的热力学限制,因此,理论上MFC是化学能转变为电能最有效的装置,最大效率有可能接近100%。近年来,MFC研究最令人振奋的进展是,一种新发现的铁还原红富菌(Rhodoferax ferrireducens) 在MFC中将葡萄糖的化学能转化为电能的库仑效率超过了80%[11],而硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)在MFC中将乙酸的化学能转化为电能的库仑效率超过了96.8%[12]。相比之下,其它形式的发电效率很低。以直接焚烧或气化为主的生物质发电站发电效率只有约20%~25%(<5 kW电站)或35%~40%(>2 MW电站)。此外,各种化学燃料电池的实际发电效率也只有40%~60%左右[13]。

典型的MFC装置如图1所示,由阴极区和阳极区组成,两区域之间由质子交换膜分隔。其工作原理是:在阳极区表面,水溶液或污泥中的有机物,如葡萄糖,醋酸,多糖和其他可降解的有机物等在阳极微生物的作用下,产生二氧化碳、质子和电子。电子通过中间体或细胞膜传递给电极,并通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极后与氧气发生反应产生水,从而使得整个过程达到物质和电荷的平衡,并且外部用电器也获得了电能。目前有A、B、C三种不同类型的MFC装置,每一种类型各有其优缺点:

A型MFC是在阳极室培养溶液中加入能穿过细菌细胞的电子载体媒质(mediator)如中性红,蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)等,将微生物代谢过程产生的电子运载到阳极。A型MFC的电流密度指标相当好,其缺点是培养液中需要加入人工合成的且通常为有毒的氧化还原媒质,这些媒质通常也不可回收利用。

B型MFC是通过金属还原细菌本身特殊的细胞色素直接将电子传递到阳极, 因而也被称之为无媒质MFC (mediator-less MFCs)。B型MFC可在自然环境(如沉积物)中工作,但在自然条件下细菌的生长速度及其产生的电流密度很低。近来,高产电效率细菌的发现和试验表明,B型MFC可比A型输出功率提高10倍以上[14]。B型MFC是当前这一领域的研究热点。

C型MFC是利用电催化电极使发酵产物如氢气和甲醇等在电极表面氧化。C类型MFC产生的电流密度最高,并可利用一些易获得的微生物如大肠杆菌(Escherichia coli)工作,但电催化电极通常需要昂贵的表面改良剂,限制了其应用。C型MFC电极与氢燃料电池类似,但发酵产氢过程则比较复杂,不仅要求细菌不能在电极表面形成生物膜,而且还要防止产甲烷细菌消耗氢气。

与燃料电池相比,MFC电池在温度(常温)、电极(无需贵金属电极)、燃料(无需纯化)等方面具有优势。虽然单个MFC的工作电压只有0.5 V左右,但许多个MFC堆叠就可产生较高的电压,满足对低电压用电的需求。

3 国内外MFC研究现状及分析

目前,MFC的发展处在初期阶段,研究重点仍然在单个MFC的生物学和电极材料理论与技术上。许多研究集中在MFC装置设计改进上以获得较大的功率输出,然而对MFC微生物产电能力和代谢过程电子向电极传递的机制的认识,有助于弄清生物学电子传递物质与电极间的相互作用和相容性,这是设计优良性能MFC系统和电极材料的基础。

(1)MFC中微生物学研究进展

MFC中微生物学研究重点是找到那些能直接将电子传递给阳极的细菌,这类细菌被称之为产电细菌(electricigens),即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,同时自身在电子传递过程中获得能量支持生长的菌类。已经确认的产电细菌主要是金属还原厌氧菌如红富菌属、地杆菌属和脱硫洋葱菌属(Desulfobulbus)的一些种,发酵菌如梭菌属(Clostridium) 也可能具有产电性能[15]。不只细菌能直接将电子传递给阳极,最近发现一种汉森酵母(Hansenula anomala)也具有这样的产电特性。MFC中应用的还有其它一些细菌,它们虽然不属于产电细菌,但能自已产生电子传递媒质,明显提高MFC的电势。这些细菌有希瓦氏菌属、地发菌属(Geothrix)、假单胞菌属(Pseudomonas),乳酸杆菌属(Lactobacillus)也可能属于这一类[16]。已经用于MFC研究的其它细菌,则需要外源媒质,以提高MFC的产电性能。

要弄清产电细菌将电子传递给电极的机制,需要深入研究产电细菌在自然条件下将电子传递到胞外电子受体(如Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)氧化物及腐殖质)上的机制。分隔细胞内电子提取和细胞外电子传递的不导电脂膜系统尤如一个绝缘体,是微生物将胞内电子传递到胞外电子受体遇到的强大障碍。产电细菌优异的电子传递功能可能是亿万年长期适应性进化的结果,用基因工程的技术可揭示电子传递相关蛋白的特征。据研究,胞外Fe(Ⅲ)还原需要一系列c-型细胞色素蛋白如MacA,PpcA,OmcB,OmcE和OmcS等的参与,将电子从内膜传递到周质和外膜,再到导电的纤毛上[17]。最近的研究表明,细菌纤毛具有作为纳米导线传导电流和帮助细胞附着在表面形成生物膜的功能。

与单菌株MFC相比,混合微生物菌群在MFC中的应用具有潜在的高抗扰动、高底物利用率、低底物特异性和高输出功率等优势。混合菌群主要从湖泊和海洋沉积物或污水处理厂活性污泥中富集[12]。用分子生物学方法分析电极上附着微生物种类组成发现,沉积物来源的细菌以δ-变形菌纲(δ-Proteobacteria)为主,而其它来源的细菌包括了变形菌门的α、β、γ和δ变形菌纲,还有厚壁菌门(Firmicutes)及其它一些未定性的类群。如此多样的细菌附在电极上,它们之中产电细菌的类群以及该种细菌在电极上的生态作用都还很不明确。MFC中混合菌群去除的COD的效率可达80%以上,但有的研究认为去除的COD中只有很少一部分是通过产电过程去除的。这些结果表明,参与发电过程的微生物可能不能分解所有的有机物,某种或某些降解COD的细菌可能不具产电能力。

纯培养条件下MFC微生物代谢研究最常用的底物是葡萄糖,也有一些研究用乙酸、乳酸作底物。最近发现以乙醇、蛋白质作底物也可生产较高的功率密度。不论是从产电还是从处理有机污染物的角度看,MFC技术需要研究更多种底物或混合底物,以便最优化MFC技术或提高MFC技术处理复杂污染物的能力。

利用玉米和甘蔗发酵生产汽车用乙醇已经成为美国和巴西能源结构的一个重要部分。然而,目前生物乙醇的成本远远高于其它能源,主要是一些基础理论和应用技术没有完全解决,例如,生物质中的纤维素很难被微生物降解,必须通过许多微生物产生的酶联合作用才能将其转变为生产乙醇的单糖;植物多糖被木质素所锢囚,微生物很难分解,必须利用强酸或强碱对植物木质纤维素进行预处理后,微生物才能较容易地分解,常常在经济上的代价相当高[18]。生产用的酵母菌将纤维素分解产生单糖转变为乙醇时,效率通常也不高,而且即使一点点乙醇也会杀死酵母菌,必须花费很大成本使乙醇与酵母生长基质快速分离。如果利用MFC原理,产电细菌能直接利用单糖、乙醇和乙酸及氢气,转变为电能,转换效率将会更高。

纤维素经过一定预处理后,能够直接被产纤维素酶细菌厌氧降解产生单糖(第一阶段),单糖可被产酸和产氢细菌利用(第二阶段),这两个过程都可为MFC阳极室产电细菌提供能源。梭菌属(Clostridium)类群之中不仅有已知的产电细菌,也是厌氧条件下纤维素分解的主要成员[9]。MFC过程要求不出现产甲烷过程(第三阶段),因为后者会以较低效率消耗能源物质。

将生物质降解与MFC耦合起来,构建生物质能源化MFC,从总体上提高生物质的能量利用效率,这有利于揭示生物质降解规律和MFC中生物质不同产物或混合物电子传递机制。

(2)MFC中阳极材料的研究进展

MFC的阳极材料必须有良好的导电性、生物相容性和化学稳定性。通常使用石墨棒或碳布、碳毡作为电极,而避免使用铂金电极,以降低成本。最近,研制出了一种不使用贵金属(铂)的、高性能的碳化钨阳极,该阳极能很好协调阳极界面上的电解催化作用和生物催化作用。该阳极能有效地氧化氢、甲酸和乳酸,但不能氧化乙醇。传统的阳极碳布用氨气处理后会提高阳极的表面电荷,进而提高阳极的性能。石墨/聚四氟乙烯复合阳极也表现出提高产电效率的性能。其它材料修饰的阳极还有石墨/蒽醌-1,6-二磺酸、石墨/1,4萘醌、石墨/Mn2+-Ni2+-陶瓷、石墨/Fe3O4-Fe3O4-Ni2+复合电极,这些电极性能都比简单的石墨电极好。

(3)MFC中阴极材料和阴极电解液的研究进展

阴极材料和阴极电解液设计对MFC功率输出有很大的影响。相同条件下,用铁氰化钾作为阴极电解液比阴极室通气产电性能更高。最近发现高锰酸盐做为电子受体的产电效率更高,但受pH的影响很大。阴极室中加入磷酸盐缓冲液会因提高导电性而显著提高铁氰化钾作为阴极电解液的产电量[4],相反,低缓冲容量和低离子浓度对阴极性能表现也有很强的影响,并限制MFC的功率输出。阴极的限制作用也因MFC的内电阻增加而更加明显,使得功率输出大大降低。旋转阴极比提高阴极电解液中溶解氧含量更有效、产电量更大,增加溶解氧含量会提高阴极的内电阻。阴极经镀铂-碳硬化修饰后,功率密度可提高一个数量级[17]。利用微生物代谢反应设计生物阴极(biocathodes),可替代阴极催化剂或媒质,使MFC成本降低。以阴极作为电子给体,以阴极室氧化物如硝酸盐、延胡索酸盐和六价铀(U6+)等为电子受体,在厌氧细菌作用下加强阴极与氧化物间的相互作用,可能会提高阴极室的导电性能,从而提高MFC的产电效率,这可能会成为今后MFC领域的研究方向之一。

随着MFC构建和电极技术不断成熟和完善,微生物对MFC产电效率的限制将更加突出,需要系统地研究微生物与阳极间的相互作用和微生物群落在MFC中的演替。进一步挖掘产电细菌资源,是完善和提升MFC电子传递理论与技术的基础。

4 利用湿地微生物构建生物质能源循环式微生物电池的潜力

湿地是处于水陆之间的过渡生态系统,被成为“地球之肾”,在调控洪水、堤防保护、有害物质及杂质的转化和降解以及保留营养物质等方面都具有重要作用。研究表明,在湿地系统中存在很多不同种类的微生物群落,这些微生物群落进行的一系列生物化学及电化学作用在污水处理上能发挥重要的功能,通过调整污染物质物理、化学和生物的转化进而达到改变水质的目的[19]。

湿地土壤是水生植物生长和水生动物活动的场所、土壤微生物繁殖的培养基,也被认为是上层水体的净化剂。厌氧性条件是湿地土壤的本质,是长期水分饱和与微生物代谢活动耗氧共同导致湿地土体中氧气的耗竭的结果。从好氧状态(O2/H2O,Eh>750 mv)到不同程度的厌氧状态,如反硝化(NO3/N2,Eh<750 mv)、锰还原(MnO2/Mn+2,Eh<580 mv)、铁还原(Fe(OH)3/Fe+2,Eh<-80 mv)、甲醇发酵(CH2O/CH3OH,Eh<-180 mv)、硫酸盐还原(SO4-2/H2S,Eh<-210 mv)和甲烷生成(CO2/CH4,Eh<-240 mv),甚至到形成典型地球原始物质的极低Eh还原状态,如产乙酰(CO2/CH3COOH, Eh<-400 mv)和氢气(H+/H2,Eh<-410 mv)(注:这里的Eh值是根据Eh-pH曲线修订到pH 7.0的Eh值),这些氧化还原条件及其相关的微生物代谢活动在湿地土壤中都会产生。虽然土壤中少数本土细菌可能会适应Eh的波动,但绝大部分细菌在微生物群落中的优势度,会随Eh的变化而变化,从而影响那些对Eh变化敏感的化学反应的进行。

迄今为止,尚未发现任何有关来源于湿地的产电细菌的报道。从生物与环境的关系来看,环境的多样性是造就生物多样性的重要原因,生物多样性是对环境多样性的适应结果。湿地环境与MFC类似的厌氧环境是否贮备了高效率的产电细菌还不清楚,值得研究。

产电细菌不仅仅只有几种金属还原菌(如铁还原红富菌、硫还原地杆菌),但产电细菌确实具有较强的特异性,对底物是有选择性的;产电细菌完成电子传递必须与阳极接触[13];在湿地周期性淹水、有大量腐殖质积累、土壤以厌氧特征为主的条件下,可能会找到代谢特征特殊的产电细菌。利用湿地环境厌氧菌群,发酵经过化学预处理的植物纤维素,供给MFC物料,再进一步接种湿地菌群到MFC中,可在阳极表面富集到产电细菌,分离、培养、鉴定和研究这些菌群的代谢和电子传递特征,可丰富我国MFC的研究成果。因此,湿地土壤中存在代谢活动独特的产电细菌,其代谢和电子传递特征可用细菌生态学、生理学和电学方法来表征,用纤维素分解产物作为MFC的能量转化物料,将成为该领域新的研究模式。

5 结论

MFC作为一种可再生的清洁能源技术的研究正在国内外迅速兴起,势必将得到不断的推广和应用,为节能减排、治理污染做出重要的贡献,成为构建能源节约型社会,走能源可持续发展道路的重要基础。

微生物电池技术 篇2

双室型微生物燃料电池协同脱氮的初步研究

摘要：微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)就是利用微生物作为催化剂氧化有机物或无机物产生电流的装置.在阳极区由基质氧化产生的.电子传递给阳极(负极),经连接有电阻或负载的导线流到阴极(正极),再传递给阴极区的电子受体,常采用质子交换膜将阳极和阴极分开[1].作 者：李冬萍    娄红梅  作者单位：大连民族学院,生命科学学院学生,辽宁,大连,116605 期 刊：大连民族学院学报   Journal：JOURNAL OF DALIAN NATIONALITIES UNIVERSITY 年，卷(期)：2010, 12(3) 分类号：X131.2 

微生物电池技术 篇3

由佐治亚大学化学家贾森·洛克林领导的研究小组将噻吩分子链和苯分子链喷涂于金属表面, 形成厚度仅为5纳米至50纳米的超薄薄膜。这种薄膜的结构就像一只牙刷, 而共轭高分子链犹如刷毛。研究人员称这类涂料为高分子电刷。分子导线实际上就是这种薄膜中的极其紧密的高分子链。为了能够在延展中仍保持分子链的紧密排列, 他们采用了一种称为“移植法”的方法, 首先喷涂一个单层噻吩作为薄膜的最初涂料, 然后使用一种控制聚合技术来建造噻吩链或者苯链。

洛克林指出, 利用人体中的燃料资源 (如葡萄糖) 是十分困难的。虽然人体中的酶具有很好的转换化学能为电能的能力, 但它们有起到自然保护作用的绝缘层, 阻止了电子从活性位点传送到电极, 因此不是很有用。而分子导线则能够提供一个更好的供电荷流动的通道。有机半导体的性能变换有赖于单位数量和尺寸大小。噻吩本身是绝缘体, 但通过一种可控方式将众多噻吩分子连接在一起, 就使得这种聚合物具有了导电性能。

洛克林强调, 这项技术使科学家们能够控制各种高分子

英国从火星任务中得出一项新能源技术

欧洲的Exo Mars项目瞄准的本是遥远的火星, 但最近英国研究人员却从中获得一项可帮助地球应对能源危机的技术, 可以帮助从沥青砂中提炼出石油。

英国科学与技术设施委员会近期发布的新闻公报说, 该机构资助帝国理工学院的研究人员进行了相关研究。在Exo Mars项目中, 研究人员开发出一种表面活性剂, 可用来帮助分离岩石中的有机物质, 借此研究火星上的生态环境。后来研究人员发现, 这项技术也可以用于帮助从沥青砂中提炼石油。

沥青砂是油气田中普遍存在的一种含油物质, 但不便于提炼, 一个重要瓶颈就是提炼过程中需要大量的水, 而这些水用过后就会成为很难处理的污水。新闻公报说, 新技术可以在数小时内将这些水和其中的污染物分离开, 帮助实现水的循环再使用, 从而大大提高了沥青砂提炼工艺的实用性。

参与这项研究的帝国理工学院教授塞夫顿说, 这项新技术的成本不高, 能够用于帮助从沥青砂中提炼普通石油。另一个优点是, 用来帮助处理污水的表面活性剂对环境无害, 甚至能达到可食用的程度。

科学与技术设施委员会官员安德鲁斯评价说, 相关研究非常有价值, 它不仅可以帮助研究火星环境, 还可以帮助应对地球上的能源问题。这是纯科学研究和现实相结合的典范。

废旧电池处理技术 篇4

过量的锰蓄积于体内可引起神经功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱，较重的出现言语单调，表情呆板，感情冷漠，伴有精神症状。

长期食用受镉污染的水和食物，可导致骨痛病，镉进入人体后，引起骨质软化骨骼变形，严重时形成自然骨折，以致死亡。

锌的盐类能使蛋白沉淀，对皮肤和粘膜有刺激作用，当在水中的浓度超过10-50毫克/升进有致癌的危险，可引起化学性肺炎。

铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统、和肝、肾等器官，能抑制血红蛋白的的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴、幼儿的很大，它将导致儿童体格发育迟缓，慢性铅中素的儿童智力低下。镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强毒性，能损害中枢神经，引起血管变异，严重者导致癌症。

废电池回收现状：虽然北京8岁的小学生已开始知道，废旧电池不可以乱扔。他们会用小手把一节节旧电池投进专用的回收箱。废旧电池分类回收的行为正在北京市的商场、办公室里推广开来，以往的垃圾桶旁现在会新添一个电池回收箱。收集起来的废旧电池正迅速增加，今年上半年北京已经收集近百吨废旧电池。但这些废旧电池却陷入一个尴尬的处境，堆积如山而得不到妥善处理。目前北京市的废旧电池最终被运送到“北京市有用垃圾回收中心”。该中心是北京市政管理委员会的一个下属机构，负责垃圾的回收和中转。回收中心现在也正为废旧电池的去向而发愁。业务科科长卢建国说，回收中心从1998年4月开始对北京市的废电池进行回收，当年的回收量为7吨，去年回收量近40吨，至今共收集100多吨。这些废旧电池大部分仍然堆在回收中心的集装箱里，今后收集的废旧电池同样也只能存放在这里等待处理，因为目前还没有专门的电池处理厂对它们进行科学无害的回收。

为废旧电池着急的不只北京一家，全国各地收集废旧电池的地区都遭遇难题。近日，上海市有关部门联合召开废电池污染防治专题会议，专家们积极献计献策。

但最后可行的方案仍然只是将已回收的废旧电池妥善存放，等待着城市危险废弃物填埋场建成后再安全填埋。广西南宁市开展“环保行动进家庭”系列活动，已经收集数量不少的废旧电池。为了回收处理，南宁市环保局通过互联网征集废旧电池的处理技术。两个月过去了，并没有听到令人兴奋的消息。河南省新乡市一个体户了解到干电池对环境的危害，自费收集废旧电池20多吨。日前她在《中国环境报》上发表的公开信中吐出苦水，自己不能为这20吨废旧电池找到一个不会污染环境的最后归宿。从环保热情中冷静下来的人们蓦然发现，处理废旧电池竟然比回收更难！

回收方法：实验室回收方法：普通干电池是圆筒形的，外筒由锌制成，这一锌筒即为电池的负极；筒中央炭棒为正极；筒内为二氧化锰，氯化铵和氯化锌。下面介绍两种废干电池内物质回收利用的方法：

（1）提取氯化铵：将电池里的黑色物质放在水里搅拌并过滤，将部分滤液放在蒸发皿中蒸发，得白色固体，再加热，利用“升华”收集较纯的氯化铵。

（2）制取锌粒：将锌筒上的锌片剪成碎片，放在坩埚中强热（锌熔点419度），熔化后小心将锌页倒入冷水中，得锌粒。

工业回收方法： 国际上通行的废旧电池处理方式大致有三种：固化深埋、存放于废矿井、回收利用。

1．固化深埋、存放于废矿井

如法国一家工厂就从中提取镍和镉，再将镍用于炼钢，镉则重新用于生产电池。其余的各类废电池一般都运往专门的有毒、有害垃圾填埋场，但这种做法不仅花费太大而且还造成浪费，因为其中尚有不少可作原料的有用物质。

2．回收利用

（1）热处理

瑞士有两家专门加工利用旧电池的工厂，巴特列克公司采取的方法是将旧电池磨碎，然后送往炉内加热，这时可提取挥发出的汞，温度更高时锌也蒸发，它同样是贵重金属。铁和锰熔合后成为炼钢所需的锰铁合金。该工厂一年可加工2000吨废电池，可获得780吨锰铁合金，400吨锌合金及3吨汞。另一家工厂则是直接从电池中提取铁元素，并将氧化锰、氧化锌、氧化铜和氧化镍等金属混合物作为金属废料直接出售。不过，热处理的方法花费较高，瑞士还规定向每位电池购买者收取少量废电池加工专用费。

（2）“湿处理”

马格德堡近郊区正在兴建一个“湿处理”装置，在这里除铅蓄电池外，各类电池均溶解于硫酸，然后借助离子树脂从溶液中提取各种金属，用这种方式获得的原料比热处理方法纯净，因此在市场上售价更高，而且电池中包含的各种物质有95%都能提取出来。湿处理可省去分拣环节（因为分拣是手工操作，会增加成本）。马格德堡这套装置年加工能力可达7500吨，其成本虽然比填埋方法略高，但贵重原料不致丢弃，也不会污染环境。

（3）真空热处理法

德国阿尔特公司研制的真空热处理法还要便宜，不过这首先需要在废电池中分拣出镍镉电池，废电池在真空中加热，其中汞迅速蒸发，即可将其回收，然后将剩余原料磨碎，用磁体提取金属铁，再从余下粉末中提取镍和锰。这种加工一吨废电池的成本不到1500马克。

前景展望：

四、前景展望

现在，人们的环保意识有了很大提高，比如北京、上海等城市已经安置了废电池投放专用桶。相信不久的将来，废电池回收利用的问题必定会得到很好的解决。

三.废旧电池回收处理技术(请参考)

1、UPS及大容量免维护铅酸蓄电池再生保护补充液

2、除化物铅酸蓄电池

3、处理含金属废料的方法

4、从废电池中去除和回收汞的方法

5、从废干电池中提取锌和二氧化锰的方法

6、从废旧锂电池中回收负极材料的方法

7、从废锂离子电池中回收金属的方法

8、从废锌锰干电池中提取二氧化锰及锌的方法

9、从废蓄电池获取富集物质的方法与设备

10、从垃圾中分离出电池、钮扣电池和金属的方法和设备

11、从用过的镍-金属氢化物蓄电池中回收金属的方法

12、从用过的镍-金属氢化物蓄电池中回收金属的方法 213、二次电池的再利用方法

14、废电池处理装置

15、废电池的无害化生物预处理方法

16、废电池的综合利用

17、废干电池的回收利用方法

18、废干电池无害化回收工艺

19、废旧电池处理方法

20、废旧电池回收处理机

21、废旧电池回收分解头

22、废旧电池回收用的真空蒸馏装置

23、废旧电池铅回收的方法

24、废旧电池热解气化焚烧处理设备及其处理方法

25、废旧电池综合利用处理工艺

26、废旧干电池的碱性浸出

27、废旧干电池回收处理装置

28、废旧手机电池综合回收处理工艺

29、废旧蓄电池铅清洁回收方法

30、废旧蓄电池铅清洁回收技术

31、废铅酸蓄电池生产再生铅、红丹和硝酸铅

32、废铅蓄电池回收铅技术

33、废铅蓄电池泥渣的还原转化方法

34、废铅蓄电池熔炼再生炉

35、废蓄电池含铅物料反射炉连续熔炼

36、废蓄电池含铅物料反射炉连续熔炼的方法

37、镉镍电池废渣废液的治理及利用

38、含汞废电池的综合回收利用方法

39、化学电源电池的原料及循环再生利用技术

40、回收电池、特别是干电池的方法

41、回收密封型电池的部件的方法和设备

42、金属-空气电池的废料回收装置

43、浸出法回收干电池

44、净化处理废旧电池或含汞污泥的组合物及其处理方法

45、垃圾废电池及重金属分选装置

46、锂电池工业废气处理中N-甲基吡咯烷酮的回收工艺

47、锂离子二次电池正极边角料及残片回收方法

48、镍镉废电池的综合回收利用方法

49、镍氢二次电池正负极残料的回收方法

50、铅酸蓄电池回生源及生产方法

51、铅酸蓄电池失效的再生技术

52、去除废铅蓄电池极板中硫酸根的方法

53、失效镍氢二次电池负极合金粉的再生方法

54、水泥熟料煅烧处理废干电池技术方法

55、蓄电池废极板再生多性剂及处理工艺

56、蓄电池脱硫剂再生方法

57、一种从废蓄电池回收铅的方法

58、一种废旧干电池的破碎装置

59、一种蓄电池脱硫剂的再生方法

60、以废旧电池为原料生产污水处理剂的方法

61、以废蓄电池渣泥生产活性铅粉的方法

62、用离子筛从废旧锂离子电池中分离回收锂的方法

63、用于镍和镉回收的装置和方法

64、在中性介质中用电解还原回收废蓄电池中的铅方法

微生物电池技术 篇5

科技日报讯据物理学家组织网1月21日报道, 美国弗吉尼亚理工大学研究小组开发出一种电池, 以糖为能源提供电力, 能量密度达到前所未有的水平, 继续发展有望替代传统电池成为一种廉价的、可充电而且可生物降解的电池。相关论文发表在当天的《自然·通讯》杂志上。

发明糖电池的是该校农业与生命科学学院、工程学院的生物系统工程副教授帕西瓦尔·张。他说, 虽然现在也有其他糖电池, 但他们的糖电池能量密度比以前的高出一个数量级, 在充电之前运行的时间更长。预计三年后, 这种糖电池将能为手机、平板电脑、视频游戏和大量其他电子器材供电。

“糖是自然界一种绝佳的、储存能量的混合物。”张说, “所以仅从逻辑上讲, 我们也要努力利用这种天然能量, 以一种环保的方式来生产电池。”

据美国环保署称, 仅在美国, 每年就有数十亿的有毒电池被扔掉, 给环境和人体健康带来很大威胁。这种糖电池有望帮人们减少填埋数十万吨的电池。

这种糖电池利用了一系列酶, 这些酶以一种自然界没有的方式组合在一起。张和同事构造了一种非天然式的合成酶路径, 能从糖里面获取所有的电荷势能, 在一个小小的酶燃料电池中产生电流。传统电池通常是用昂贵的铂金作催化剂, 而他们用的是低成本的生物催化酶。“通过一种酶流注, 我们能把糖溶液中的所有电荷缓慢地、一步步地释放出来。”张说。

就像所有其他燃料电池一样, 糖电池也是一种联合燃料。研究人员用的是麦芽糊精和空气产生电流和水, 麦芽糊精是一种多聚糖, 由淀粉部分水解形成, 水是主要副产品。

微生物电池技术 篇6

1 MFC的原理及发展历史

1.1 MFC反应器组成及工作原理

典型的MFC由阳极室、分隔膜、阴极室和外电路四部分组成。MFC的基本工作原理就是阳极微生物在厌氧条件下利用有机物产生电子和质子,微生物再将产生的电子通过一定的途径传递到阳极表面,电子通过外电路传导到阴极表面,与阴极的氧结合生成水,形成完整的回路,从而完成了从化学能转化为电能的过程。按照构型来分,MFC分为单室、MFC[6,7]双室MFC[8]和三室MFC[9]。

1.2 MFC发展历史

1910年英国科学家Potter首次证实了MFC的概念,Potter将铂电极插入到含有大肠埃希菌或酵母菌的培养基中,发现在电极之间产生了电势差[10],揭开了MFC研究的序幕。最近10年,随着环境污染和能源危机的到来,MFC成为研究的热点。2001 年Reiners 等人发现将两个铂碳电极置于海底沉积淤泥和表面海水界面上,同时用导线将两电极连接起来,即可在外电路上获得低水平的电流和功率输出,开路电压为 0.7 V,最大功率密度为 10 mW/m2[11],这是有关沉积物 MFC 的首次报道。2002 年一篇在Science 上发表的文章报道将电子传递给固体电极微生物的发现,拉开了 MFC 研究的序幕,并且很快成为环境和能源领域新的研究热点[12]。宾夕法尼亚州立大学的Logan教授实验室主要研究 MFC 构型以及构建材料,开发了单室空气阴极 MFC[13] 。1999年韩国科学技术研究院的Kim教授研究发现了无介质产电微生物,并建立了无介质MFC[14] 。Verstraete 等则在 MFC 阳极室特有的环境条件下成功地富集到了自身能分泌电子介体的产电微生物[15]。这些研究和发现都对MFC的发展起到了推动作用。2005年Bergel 等报道阴极表面的生物膜被清除后 MFC 最大功率密度由270mW /m2降到了2.8mW /m2 [16]。生物阴极与化学阴极相比具有很多的优点,如降低成本、不存在催化剂失活、可实现资源的综合利用等,这使其成为新的研究热点。

2 MFC处理含硫废水

2.1 MFC处理含硫废水机理研究

2005年Rabaey Korneel等利用MFC技术使可溶性硫转换为元素硫,硫去除率为98%[17]。这是首次使用MFC技术处理含硫废水。 Zhao等[18]用Desulfovibrio desulfuricans菌株证明了产生电能同时去除硫化物,比较了三种不同的电极材料,相对于石墨和碳纤维,活性炭布是最好的电极材料,硫去除率为99%。

Min Sun等[19]发现在阳极中的硫元素在电化学和生物催化作用下被氧化是一个复杂的过程,在反应过程中产生了三个价态的硫S(-II)、S(0)、S(+VI),硫氧化在MFC中途径被揭示,S0/Sundefined和S4Oundefined/SundefinedO3可自发进行,SOundefined是中间产物,由微生物催化作用产生。

Baogang Zhang等[20]使用MFC处理含有有机物硫化物和金属钒的废水,实现了在产电的同时进行硫化物和金属钒的去除,为处理这类废水提供一条经济途径。

Baogang Zhang等[21]将UASB与MFC、BAF联用,处理糖蜜废水,其硫化物去除率可达到52.7%,最大功率密度达到1 410.2mW/m2。

Lee等[22]使用菌株Pseudomonas sp.C27构建双室MFC反应器,以硫化物作为唯一电子供体,反应器可以将硫化物转换成为单质硫同时产生电能,最大功率密度为40mW/m2,硫化物去除率接近100%,添加乙酸盐和硝酸盐都能干扰阳极生物膜活性,降低产电量和硫化物去除率。

2.2 MFC处理含硫废水影响因素研究

2007年浙江大学基于需盐脱硫弧菌构建的MFC运行性能良好[23]。Feng Zhao 等[24]在单室MFC中 引 入 硫 酸 盐 还 原 菌Desulfovibrio desulfuricans回收单质硫,废水中硫化物和硫代硫酸盐的去除率分别达到 91%和 86%。

毛艳萍等构建了双室燃料电池,以石墨颗粒作为电极,结果发现硫化物可全部被氧化,确定了碳硫比对去除率的影响,在碳硫比大于12.50:1、S2-质量浓度为50mg/L时可全部被去除[25]。

Sun等[26]研究了硫氧化MFC中的微生物群落,采用单室空气阴极MFC反应器,建立16SrRNA文库,结果表明以硫化物作为基质可以产生电能,在阳极室中存在大量微生物,既包括产电菌,也包括硫相关细菌,阳极附着微生物和浮游微生物具有相似的丰度和密度,然而根据LIBSHUFF分析其群落结构有很大的不同,但是两者之间的互作在电能产生和硫化物氧化过程中起重要作用。

Baogang Zhang[27]等使用响应面曲线法对UASB-MFC反应器去除硫化物产电系统进行优化,最佳条件是COD:硫化物为2.3,水力停留时间为54.3h,可以获得最大电能输出;COD:硫化物为3.7,水力停留时间为55.6h时具有最大硫化物去除效率。实验结果表明不失真,优化结果可靠。

Lee[28]等使用硫酸盐还原混合培养物作为阳极生物膜,启动MFC反应器处理含有硫酸盐的废水,阳极生物膜上的硫酸盐还原菌能有效将硫酸盐还原为硫化物,而后者可以作为相邻的阳极呼吸菌电子供体产生电能,当生物膜上阳极呼吸菌为混合培养时,可为生物膜的生长提供碳源,因此有机碳的存在能提高MFC性能。

Ieropoulos[29]等在添加硫酸盐到活性污泥和以渗滤液为基质的MFC中,发现可显著提高电能输出功率。在垃圾渗滤液MFC所有的电子转移方式中,最重要的电子转移方式之一是硫酸盐/硫化物转换介导系统。

3 存在的问题与展望

MFC技术作为一种全球热点技术应用于含硫废水的处理,具有良好的前景。但是要应用于实际还有很多问题需要解决。

(1)MFC技术进行硫化物去除工作机理的研究

目前的研究主要集中在反应器构型原料等方面的研究,对机理的研究很少,而且缺少直接的实验证据,搞清电子如何在微生物和硫酸盐之间传递机制,有助于提高电子转移效率,提高处理效率。

(2)微生物群落的研究

对反应器中群落结构的研究还有很大的空间,利用现代分子生物学检测和分析手段,研究微生物种群的组成及其演替规律,明确代谢途径,是提高反应效率的关键所在。

(3)实现功能微生物的快速培养、富集,提高单质硫转化率,改善各功能菌群的生长环境,从而提高硫的转化率。

微生物电池技术 篇7

为了解微生物燃料电池相关研究的现状和发展趋势, 本文从国家分布、主要研究机构、核心期刊、主要作者等方面应用文献计量学对其进行相关分析, 以期为我国微生物燃料电池的研究、开发、推广和应用提供有价值的参考, 满足国家科技创新的战略情报需求。

1 数据来源及分析工具

数据主要来源于ISI Web of Knowledge数据库, 利用关键词、领域分类、文献类型相结合的方式对2000 - 2011 年各国在微生物燃料电池领域发表的期刊论文 ( journal articles) 进行了检索。数据采集时间为2012 年11 月22 日, 共得到有效数据2157 条。

本文分析利用的数据挖掘和可视化工具主要为美国Thomson公司开发的分析工具TDA (Thomson Data Analyzer) 、美国Drexel大学陈超美教授研发的Cite Space和斯洛文尼亚软件工程师开发的Pajek软件。

2 分析结果

2. 1 论文数量的年度变化趋势

2000—2011 年, 有关微生物燃料电池的论文数量出现了快速、大幅的增长, 其年度变化趋势如图1 所示。从图中可以看出, 2000 年只有7 篇, 2011年达到486 篇, 增长了69. 4 倍。其中2003—2011年增长速度较快。这说明, 微生物燃料电池领域的研究近10 年来获得广泛关注, 而这一过程正好伴随着全球对气候变暖以及能源问题的关注。根据2000—2011 年的十二年数据判断, 未来微生物燃料电池的论文数量还会继续增加, 相关研究仍在继续。

2. 2 重点国家和地区发文量

通过对不同国家的发文量进行统计 ( 图2) , 发现一共有58 个国家和地区开展了微生物燃料电池方面的研究, 其中美国的论文数量最多, 达746 篇, 约占论文总数的35% ; 中国位居第二, 占论文总数的21% , 中美两国的论文数量占论文总数的56% , 这从一个侧面反映出美国和中国在微生物燃料电池研究领域具有较强的实力。位居其后的分别是韩国、英国 ( 包括苏格兰、威尔士、北爱尔兰) 、印度、日本、德国、比利时、荷兰、澳大利亚, 这些国家分别位居论文数量排名的前3 ~ 10 位。

分析上述10 个国家的论文数量随时间的变化趋势 ( 图3) , 可以看出, 微生物燃料电池的基础研究活跃程度逐年升高, 美国发文的绝对数量在全球居于首位, 中国虽然起步较晚, 但近四、五年的发展态势强劲, 追赶美国的步伐非常之快。其他国家的论文数量变化不明显。

通过对这些国家最近三年的论文数量占其总论文数量的比例 ( 表1) 进行分析发现, 中国最近三年的发文量占其总发文量的84% , 在10 个国家中比例最高, 相比之前呈明显增加态势。此外还可以看出, 中国、印度和日本近三年的发文量所占比例均在64% 以上, 位居重点国家和地区发文量的前三位, 这从一个侧面反映出最近三年这些国家在微生物燃料电池领域的活跃程度较高。

2. 3 主要国家合作关系

通过对不同国家间的合作网络进行分析 ( 如图4) , 可以看出在整个合作网络中, 美国、中国、韩国和英国中心性较高。其中, 美国的中心度最高, 表明其与世界上最广泛的国家建立了紧密合作关系。而中国, 除与美国外, 主要与韩国和新加坡开展微生物燃料电池的合作研究。

2. 4 主要研究机构

经统计, 全球目前共有863个研究机构从事微生物燃料电池的基础研究, 其中95%为大学和科研机构, 仅有5%为企业。表2为2000-2011年SCI发文量排在前20位机构, 在这前20位的研究机构中, 美国占据6席, 中国占据6席, 韩国2席, 日本、英国、比利时、荷兰、澳大利亚、印度各占1席。宾夕法尼亚州立大学 (Pennsylvania State Uni-versity) 有关微生物燃料电池的论文共计239篇, 表明其在微生物燃料电池研究方面取得了丰硕的成果, 遥遥领先于其他研究机构。

中国共有6家机构在此领域发表论文, 按发文量排序分别是:哈尔滨工业大学 (94篇) 、中国科学院 (86篇) 、广东省生态环境与土壤研究所 (45篇) 、中国科学技术大学 (44篇) 、清华大学 (36篇) 和北京大学 (35篇) 。

利用Pajek对发文量较高的研究机构进行合作网络分析 ( 图5) , 整体来看合作网络具有全球化趋势, 分布在欧洲、美国和亚洲的机构之间存在一定程度的合作关系。但是, 从局部看, 合作网络的区域性也表现明显, 如同一国家的研究机构间联系较为密集; 此外, 即使在同一国家, 也会表现出地域性, 如中国科学技术大学与离它相对较近的合肥工业大学和山东大学合作较多。

根据Pajek计算的结果, 合作网络的几个中心点分别为美国宾夕法尼亚州立大学、中国哈尔滨工业大学、韩国先进技术研究院、美国海军和美国南加州大学。这一结果表明, 这些机构与很多的研究机构开展了密切合作。

而从中间中心性来看, 韩国先进技术研究院、美国南加州大学、哈尔滨工业大学、美国海军、美国宾夕法尼亚州立大学、广东省生态环境与土壤研究所、韩国建国大学以及澳大利亚昆士兰大学是几个中间中心性较高的研究机构。这表明, 他们在合作网络中处在信息传递的关键位置。

2. 5 主要作者

SCI发文量最多的作者如表3所示。位居第一位的是美国宾夕法尼亚州立大学教授Bruce E.Logan。Bruce E.Logan教授和他的研究团队致力于许多领域的研究, 主要包括生物制氢、微生物燃料电池、生物附着机理、大分子与分子大小分布、质点动力学与混凝几何学、高氯酸盐与氯酸盐去除和生物滤池设计等。2007年至今, 他还担任了哈尔滨工业大学的客座教授, 正因为此, 他也成为了哈尔滨工业大学与宾夕法尼亚州立大学开展微生物燃料电池研究合作的主要媒介。

进一步分析主要作者的合作网络 ( 图6) , 可以看出局部网络通常为特定研究机构的团队成员。而从团队主要成员的数量来看, 多数团队的核心成员为2 ~ 5 人。

就网络中心性而言, Bruce E. Logan、Rabaey Korneel、Kenneth H. Nealson是合作网络的中心, 与他们建立合作关系的作者较多。这也侧面反映出, 他们是微生物燃料电池研究领域权威专家。

另外, 从合作者分布的地区来看, Bruce E.Logan的合作者除了本国研发团队外, 主要来自中国和韩国; Rabaey Korneel的合作者除了自己的研发团队外, 主要来自荷兰瓦赫宁根大学和澳大利亚昆士兰大学; 而Kenneth H. Nealson的合作者除本国的研发团队外, 主要来自韩国。这一情况侧面反映出, 美国和欧洲学者处于学术的金字塔尖地位, 东亚学者处于跟随发展状态。

2. 6 高被引文献国家分布

对文献的引用次数数据进行分析后, 选取100次作为高频引用文献的阈值。对高频引用文献的分析统计发现, 高频引用文献51% 来自于美国, 10%来自比利时, 8% 来自韩国, 6% 来自英国和德国。这说明, 这些国家在微生物燃料电池领域取得了有重要影响力的研究成果。

2. 7 核心文献

所谓文献同被引, 是指两篇或两篇以上的文献同时被后来的一篇或多篇文献所引用。对文献的同被引进行分析可确定核心文献。经分析 ( 图7) , 微生物燃料电池文献同被引网络中每篇引文的引文环均为粉红色, 这代表文献的被引距今时间并不长, 这也证实了微生物燃料电池的研究是近年才兴起。

在引用的次数上, 宾夕法尼亚州立大学教授Bruce E.Logan 2006年发表在《环境科学与技术》杂志上的综述性文章“Microbial fuel cells:Methodology and technology”引用次数较多。

然而, 从核心文献的分布来看, 微生物燃料电池引文同被引网络中的核心文献均为早期文献, 这些文献对微生物燃料电池的研究产生了重要影响, 可视为经典文献。如:

Wingard LB, Shaw CH, Castner JF.Bioelectrochemical fuel-cells.Enzyme Microb Techno.1982, 4:137-142.

Bennetto HP, Stirling JL, etc.Anodic reactions in microbial fuel cells.Biotechnol.Bioeng.1983, 25:559-568.

Sibel D.Roller, H.Peter Bennetto, etc.Electron-transfer coupling in microbial fuel cells:1.comparison of redox-mediator reduction rates and respiratory rates of bacteria.Journal of Chemical Technology and Biotechnology.Biotechnology.1984, 34 (1) :3-12.

W.Habermann, E.H.Pommer.Biological fuel cells with sulphide storage capacity.Applied Microbiology and Biotechnology.1991, 35 (1) :128-133.

2. 8 核心期刊

期刊同被引可把众多无外部联系的各种科技期刊有机地联系起来, 揭示期刊之间的相互依赖和交叉等关系。利用期刊同被引关系可以判断某些期刊的专业限制, 帮助确定学科的核心期刊。

通过对微生物燃料电池相关期刊做同被引分析, 《环境科学与技术》 (EST) 是被引最多的期刊, 表明该期刊文章的影响最为广泛。其次, 《应用微生物技术》 (APPL MICROBIOL BIOT) 、《电源杂志》 (JPOWER SOURCES) 、《生物技术与生物工程》 (BIO-TECHNOL BIOENG) 、《应用环境微生物学》 (APPLENVIRON MICROB) 、《生物传感器与生物电子》 (BIOSENS BIOELECTRON) 等也具有一定的影响力。

然而《SCIENCE》、《NATURE》、《J POWERSOURCES》、《BIOTECHNOL BIOENG》、《J BACTE-RIOL》、《P NATL ACAD SCI USA》等虽然引用次数不多, 但是, 其在引文共现网络中却处于关键位置, 这与其属于综合性期刊并在学术界有较高的影响力有关。

2. 9 技术主题

关键词的共现分析可以反映文献的技术主题。利用Pajek对高频关键词进行共现网络分析 ( 图8) , 可以看出, 微生物燃料电池用于废水处理仍然是当前最主要的研究领域。此外, 微生物燃料电池电子转移、微生物燃料电池生物膜电极、产电模式菌Geobacter sulfurreducens、埃希氏大肠杆菌、腐败希瓦菌、碳纳米管复合材料电极、基于金属还原菌的无介体微生物燃料电池等也是研究的重要技术主题。

3 结论

( 1) 近年来, 微生物燃料电池领域的研究论文数量逐年增加, 中国在该领域发展较快, 研究活跃。

( 2) 从微生物燃料电池高频引用SCI文献的国家分布来看, 美国、比利时、韩国、英国和德国比例较高, 表明这些国家已在微生物燃料电池领域取得了有重要影响力的研究成果。

( 3) 主要作者合作网络分析表明, Bruce E.Logan、Rabaey Korneel、Kenneth H. Nealson是合作网络的中心, 同时也反映出他们是微生物燃料电池研究领域的权威专家。

(4) 《环境科学与技术》 (EST) 为微生物燃料电池领域的权威期刊。其他具有影响力的期刊还包括:《应用微生物技术》 (APPL MICROBIOL BI-OT) 、《电源杂志》 (J POWER SOURCES) 、《生物技术与生物工程》 (BIOTECHNOL BIOENG) 、《应用环境微生物学》 (APPL ENVIRON MICROB) 、《生物传感器与生物电子》 (BIOSENSBIOELECTRON) 等。

微生物燃料电池是一个集成多种技术和学科的系统工程, 我国在该领域的研究还有待进一步加强, 这就需要联合和发挥各研究机构的力量, 集中设施、人才和资金, 开展微生物燃料电池基础理论和技术平台建设, 加强产学研结合, 鼓励企业参与相关研究, 促进研究成果的快速转化和有效利用, 构筑微生物燃料电池技术创新体系。

摘要：利用ISI Web of Knowledge信息平台和TDA、Cite Space、Pajek分析软件对2000-2011年间SCI收录的微生物燃料电池论文进行多角度、多侧面的分析与比较, 通过国家或地区分布、主要研究机构、期刊分布、经典文献等, 从文献计量分析的角度揭示国际上微生物燃料电池相关研究领域近年来的研究现状与发展趋势。

关键词：文献计量学,微生物燃料电池,分析软件

未来生物燃料电池或使用混合燃料 篇8

科学家在美国化学学会的年会上展示了一款新的生物燃料电池模型。新电池不使用酶而使用细胞中的线粒体来分解燃料分子———纤维素。线粒体是真核细胞的重要细胞器, 有细胞“动力工厂”之称。

该研究项目领导人、美国圣路易斯大学的雪莉·敏蒂尔表示, 尽管这项技术距离实际应用还有很长的路要走, 但是, 该研究是将活性细胞的一部分 (此处为线粒体) 整合进电池的一个里程碑式的进步。未来, 这种设备在很多领域可以替代一次性电池。

一般来说, 燃料电池都需要对生物燃料分子进行分解和重建, 这个过程会释放出电子, 电子聚集在一起形成电流。

此前, 敏蒂尔团队一直使用酶, 酶在分解特殊的燃料分子诸如乙醇或者葡萄糖方面是一把好手。但现在他们改用活性细胞的组成部分线粒体, 线粒体可以将各种酶的力量和功能结合在一起, 将很多燃料分子变为电池能够直接使用的形式。

敏蒂尔解释道, 为了能够完全利用一种燃料, 人们需要很多酶, 有些简单的燃料需要3种酶, 而诸如葡萄糖等, 则需要多达22种酶, 并且, 这些酶需要能够很好地配合在一起协调工作。而线粒体的分解效率更高, 线粒体能够分解多种燃料, 意味着它能够通过分解燃料混合物来工作。

新展示的电池只使用了由一种分子组成的简单燃料, 未来的研究将着眼于使这种电池能够利用人们更为熟悉的复杂生物燃料来工作。

微生物电池技术 篇9

微生物燃料电池( MFC) 是将微生物充当为催化剂,将化学能转化成电能的系统[3]。其去除污染物同时产电的性能得到国内外学者的关注[4,5,6,7,8]。生物阴极MFC[9]( BCMFC) 使用微生物代替化学物质作为催化剂,解决了二次污染、催化剂中毒以及投资过高等问题。目前BCMFC已被证明能够处理多种类型的废水[10,11,12]。近几年,研究者的目光集中在BCMFC脱氮除碳同时产电的研究上,使用阳极微生物降解有 机物,阴极微生 物实现同 时硝化反 硝化[10,11,12,13]。使用BCMFC处理含盐废水时,适当盐度的增加会提高MFC的产电性能[14],但是盐度过高会影响阳极和阴极微生物的新陈代谢[15],从而影响BCMFC去除污染物能力和产电性能。

本实验配制不同浓度模拟海水,阴极采用间歇曝气模式,研究了在盐度影响下,BCMFC脱氮除碳及产电性能,进行了COD和氨氮去除的动力学和硝化反硝化酶活性的分析,以期为BCMFC处理含盐废水提供参考。

1实验部分

1.1实验装置

实验采用双 室MFC构型[16],如图1所示。 由两个长方形有机玻璃构成,两个极室净容积为0. 5 L。阳极材料为碳布,表面积为35 cm2,阴极材料是表面积为35 cm2的光谱纯石墨板,阴极室中填充1 cm × 1 cm × 1 cm的碳毡,有效阴极体积约为0. 2 L。中间采用有效表面积为48 cm2的质子交换膜( PEM) 将阳极室与阴极室分开。使用钛丝将电极相连接,外接22 ~ 22 000 Ω 电阻箱。

1.2实验设计

启动5个不同盐度的BCMFC,盐度分别为0% 、 10% 、30% 、50% 和70% 海水比例( 相对于海水盐度的百分比,由海水晶提供,每升模拟废水中分别含有0、3. 5、10. 5、17. 5、24. 5 g海水晶) 。每升模拟废水中除了加入相应的海水晶外,含有乙酸钠( 2. 0 g/L) 、 Na HCO3( 1. 0 g /L) 、NH4Cl( 0 . 3 g / L) 、Na H2PO4· 2 H2O( 6 . 08 g / L) 、Na2HPO4·12H2O( 21. 8 g / L) 及微生物所需的微量营养物质[17]。温度维持在30 ± 1℃ 。启动过程采用间歇运行,逐步提高盐度的方法。经过3个月的启动期,改为阳极室使用蠕动泵连续供水,阴极保持启动时的间歇曝气模式。在1个周期内阴极运行的顺序是进水0. 5 h,曝气6 h,停止曝气2 h,出水0. 5 h。将阳极室的出水收集到密闭容器中,阴极运行1个周期后再将阳极出水倒入阴极。

1.3分析方法

实验电压使用信号采集器采集,采集器每隔1min将数据传递给电脑储存电压数据。通过改变外接电阻值测得电压数据,经过公式( 1) 和( 2) 计算得出电流密度和功率密度,以电流密度为横坐标,分别以电压和功率密度为纵坐标绘制得到极化曲线与功率密度曲线。硝化反硝化酶的活性是以NH4Cl和Na2NO2作为测量指标,表征单位时间内,单位微生物所含蛋白质中NH4+- N或NO2- N增加或减少的物质的量。

电流密度JA( m A/m3) :

式中,I为电流( A) ; VA为阳极室体积( m3) 。

功率密度PA( m W/m3) :

式中,Vcell为电池电压( V) ; Rex为外接电阻 ( Ω) 。

COD、NH4+- N、NO2-- N和NO3-- N等化学指标的测定方法均是国家标准方法。硝化反硝化过程中主要参与的酶有氨单加氧酶( AMO) 、亚硝酸盐氧化酶( NOR) 、硝酸盐还原酶( NR) 以及亚硝酸盐还原酶( NIR) ,其测定活性见文献[18]。实验所用试剂均为分析纯。

2结果与讨论

2.1盐度对BCMFC三氮变化的影响

成功启动5个不同盐度的BCMFC,阳极连续进水,阳极的出水进入阴极,阴极按照SBR工艺运行, 控制阴极进水时的溶解氧浓度为5. 0 mg /L。外接500 Ω 电阻,反应温度维持在30 ± 1℃ 。实验中分别取阳极进水、阳极出水( 阴极进水) 、曝气停止以及阴极最后出水,4个不同时间段的水样测试。盐度对阴阳两室脱氮的影响见图2所示。

由图2可知,氮在阳极出水中主要以氨氮形式存在,受盐度的影响,阳极微生物去除氨氮的性能变差,出水中氨氮的浓度随着盐度的增加而升高。曝气时阴极发生硝化反应,在0% 海水比例时,阴极室中的氮以硝态氮的形式存在,10% 海水比例时,亚硝酸盐出现并积累,曝气结束时浓度达到12. 64 mg/L。 30% 海水比例时,亚硝酸盐的积累量达到最大,为20. 26 mg / L。然而当盐度超过30% 海水比例时,亚硝酸盐的积累量随着盐度的增加而变小。可能原因是亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌对盐的耐受性不同[19],首先抑制硝酸盐细菌的活性,导致亚硝酸盐转成硝酸盐的过程变缓甚至停止,所以会造成亚硝酸盐的积累。随着盐度继续增加,亚硝酸盐细菌亦受到盐度的抑制作用,从而导致在盐度≥50% 海水比例时,亚硝酸盐的浓度也减少。曝气停止后,阴极发生反硝化反应,相比于0% 海水比例的全程硝化反硝化过程,盐度为10% 海水比例则变成了短程硝化反硝化过程,缩短反硝化的时间。但是盐度≥ 30% 海水比例,反硝化微生物受到抑制,反硝化效果变差。最后出水中,三氮之和记为总氮( TN) 浓度分别为9. 13 mg/L、8. 62 mg/L、11. 71 mg /L、11. 98 mg /L以及30. 21 mg /L,去除率分别为85. 54% 、86. 99% 、 80. 23% 、82. 41% 以及52. 55% 。可以明显看出当盐度大于30% 海水比例时,BCMFC的脱氮性能受到抑制。

( 图中 A、B、C、D 和 E 分别表示海水比例为 0% 、10% 、30% 、50% 和 70% 盐度)

2.2盐度对BCMFC化学需氧量去除的影响

BCMFC运行过程中COD ( 进水COD浓度约为1 600 mg / L) 去除率的变化见图3所示。

从图3可以看出,盐度 < 50% 海水比例时,BCMFC对COD的去除效果大致相同,当盐度≥50% 海水比例,盐度抑制BCMFC降解有机物。盐度 < 50% 海水比例时,阳极出水中COD的去除率变化不大, 均能达到89% 以上。当海水比例升高至50% 时,去除率降至77% 左右,70% 海水比例盐度下,COD去除率降至69% 。曝气停止时COD的浓度分别为19、22、82、104、326 mg / L,去除率分别为99% 、98% 、 95% 、94% 、80% 。从图3还可以看出,在氧气足够的情况下,仅有70% 海水比例盐度的BCMFC的COD去除率较差。 最后出水中COD浓度分别为13、9、38、51、229 mg / L,去除率分别为99% 、99% 、 98% 、97% 、86% 。以上现象说明盐度对阳极和阳极微生物有抑制作用。原因是微生物在盐度较高的条件下,会生成保护机制,分泌胞外聚合物保护细胞, 平衡渗透压,或者改变酶的代谢途径以求生存,这些过程需要能量,所以微生物用于繁殖的能量变少,生长缓慢,生物量变少,COD去除效果自然降低。

2.3盐度对BCMFC产电性能的影响

极化曲线与功率密度曲线能够很好的 反应BCMFC产电过程中内阻和输出功率随盐度的变化。 由于不曝气的时候改变了DO的量,电压值很小,输出电流直线下降,功率密度也不大,所以本文所测的极化曲线与功率密度曲线均是在曝气阶段测试的。 不同盐度下的BCMFC极化曲线和功率密度曲线见图4。

( 图中实心图标表示功率密度,空心图标表示极化曲线)

从图4可以看出,BCMFC的输出功率及内阻受盐度的影响较大。0% 海水比例下,最大功率密度为2 500 m W / m3,根据全电路Ohm定律[3]计算出0% 海水比例下的内阻为160 Ω。随着盐度的增加,功率密度有所上升,为2 520 m W/m3,内阻为151 Ω。 原因是盐度的加入,增加BCMFC的电导率,减少欧姆损失。参比电极与双极膜间由于溶液传导而引起的欧姆损失可由公式( 4) 计算[20]

式中,dw为溶液宽度( cm) ; I为电流密度, A / cm2; S为溶液的电导率( S /cm) 。当溶液宽度 ( 即极间距) 固定不变时,增加电导率会使欧姆损失减少,从而提高功率密度。但是图4可以明显看出, 当盐度为30% 海水比例及70% 海水比例时,最大输出功率分别为515 m W/m3和175 m W/m3,内阻分别为600 Ω 和1 352 Ω。最大输出功率密度随着盐度的增加而下降,内阻上升至10% 海水比例的4倍和9倍。原因是: ( 1 ) 在盐度的作用下,虽然增加了电导率,但是电导率增加到一定程度就达到饱和,不能很大程度的增加功率密度和减少内阻。而且添加的海水晶中含有大量的Cl-,会对微生物有毒害作用, 使阴阳两极的产电微生物受到抑制,所以导致输出功率密度变小,内阻变大; ( 2) 微生物和海水晶会堵塞PEM,从而导致阳极到阴极质子的传递速率降低,引起输出功率变小。

2.4不同盐度下BCMFC基质降解动力学分析

实验使用自配污水,成分较为单一,实验过程中保持参数恒定,所以认为基质的降解动力学与基质的浓度有关,因此可以用简单动力学对BCMFC阳极降解有机物和阴极对氨氮去除过程加以描述,通过讨论零级、一级和二级三种动力学方程及其回归系数,来确定基质降解的反应级数和所对应的反应速率常数。比较不同盐度下反应速率常数,进一步解释盐度对有机物和氨氮去除过程的影响。

零级反应动力学方程:

一级反应动力学方程:

二级反应动力学方程:

式中Ct表示t时间的基质浓度; C0表示基质的初始浓度; t表示时间; k0、k1、k2分别表示零级、一级、二级反应速率常数。

2.4.1阳极有机物降解动力学分析

在盐度影响下,阳极有机物降解动力学分析见表1。

由表1可知,0% 海水比例下,一级反应方程拟合较好( R21= 0. 980) ,零级次之( R20= 0. 929 ) ,二级最差( R22= 0. 785 ) 。相同的现象也发生在盐度为10% 、30% 和50% 海水比例。这原因可能是由于底物乙酸钠是一种单一类型的易降解有机物质。所以呈现出的动力学反应级数较为简单。特殊的是在盐度为70% 海水比例时,R22( 0. 998) > R21( 0. 982) > R20( 0. 924) 。原因可能是受到盐度的影响,阳极微生物的种类与其他盐度下的不同,产生代谢途径不一样。比较不同盐度下的k1,随着盐度增加,k1先上升后下降,盐度为10% 海水比例的k1是70% 海水比例的2. 4倍。说明10% 海水比例下,阳极微生物降解COD的速率最快,所以在相同时间内出水中的COD浓度最低。

2.4.2阴极氨氮去除动力学分析

在盐度影响下,阴极氨氮去除的反应动力学方程及回归系数见表2。

由2表可知,比较5种盐度下的反应级数变化, 除了海水比例为0% 和10% 是一级反应外,其他盐度下均为二级反应。10% 海水比例下的k1是70% 海水比例的5倍。说明盐度不仅影响了阴极氨氮的去除速率,而且可能影响了氨氮在阴极去除的途径, 从图2三氮的变化也可以看出。因为盐度影响了阴极的亚硝酸盐细菌与硝酸盐细菌的活性,由于两者的耐盐性不同,随着盐度的增加,硝酸盐细菌的活性受到抑制,出现亚硝酸盐的积累; 当盐度继续增加, 抑制了亚硝酸盐细菌的活性,阻碍了阴极的亚硝酸化的进程,降低了氨氮转化速率以及影响了阴极微生物的代谢途径。

2.5硝化反硝化酶的活性

硝化反硝化过程中参与的酶: AMO、NIR、NR以及NIR的活性,见表3。

由表3可知随着盐度增加,AMO在盐度≥50% 海水比例时,活性下降。从图2也可以看出,在海水比例为50% 和70% 时,二者的硝化过程产生的亚硝酸盐的浓度小于海水比例为10% 和30% 的情况。 NOR在盐度为0% ~ 30% 海水比例范围内变化不大,当盐度≥50% 海水比例时,NOR活性下降,说明盐度对硝酸盐细菌产生影响。从NR和NIR的变化可以看出,高盐度对反硝化细菌活性起到的抑制性作用。这也与图2所示一样,随着盐度增加反硝化性能变差。

注: a 的单位 μmol NH4Cl / ( min · mg protein ) ,b 的单位是 μmol Na NO2/ ( min·mg protein) 。

3结论

实验结果表明,BCMFC的阴极采用间歇曝气模式,使得BCMFC去除COD和NH4+- N的同时能够实现脱氮。

盐度为10% 海水比例时,BCMFC脱氮除碳及产电性能最佳,TN去除率为86. 99% ,COD去除率为99% ,最大输出功率为2 520 m W/m3,内阻为151 Ω。COD和NH4+- N符合一级反应动力学,反应速率常数最大。