微生物電池的原理與應(yīng)用ppt課件.ppt

微生物燃料電池 MFC 微生物電池的原理與應(yīng)用 1 相關(guān)概念發(fā)展歷史運(yùn)行原理產(chǎn)能原理及效率電池結(jié)構(gòu)電池優(yōu)勢(shì)現(xiàn)狀 應(yīng)用及方向 目錄 2 相關(guān)概念 燃料電池 fuelcell 一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置 生物燃料電池 biofuelcell 利用酶或者微生物組織作為催化劑 將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置 MFC 英文全稱為microbialfuelcell 是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置 主要分為雙室MFC和單室MFC 雙室MFC由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成 中間用質(zhì)子交換膜分開 而單室MFC即省去了陰極區(qū) 陽極和陰極在同一個(gè)室內(nèi)工作 3 發(fā)展歷史 1911 英國(guó)植物學(xué)家potter 開創(chuàng) 劍橋大學(xué)cohen教授構(gòu)建了微生物電池堆 4 1970 生物燃料電池概念確定 1980后 生物燃料電池輸出功率有較大提高2002 bond發(fā)現(xiàn)特殊微生物地桿菌 2006 美國(guó)bruce教授 byung 韓國(guó) 和比利時(shí)willy教授在MFC上做了大量研究 5 運(yùn)行原理 有機(jī)物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化 產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極 電子通過外電路到達(dá)陰極 從而形成回路產(chǎn)生電流 而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極 與電子受體 氧氣 反應(yīng)生成水 其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示 陽極反應(yīng) CH2O n nH2OnCO2 4ne 4nH 陰極反應(yīng) 4e O2 4H 2H2O 工作原理圖示 6 產(chǎn)能原理及效率 MFC本質(zhì)上是收獲微生物代謝過程中生產(chǎn)的電子并引導(dǎo)電子產(chǎn)生電流的系統(tǒng) MFC的功率輸出取決于系統(tǒng)傳遞電子的數(shù)量和速率以及陽極與陰極間的電位差 由于MFC并非一個(gè)熱機(jī)系統(tǒng) 避免了卡諾循環(huán)的熱力學(xué)限制 因此 理論上MFC是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏钣行У难b置 最大效率有可能接近100 7 電池結(jié)構(gòu) 從MFC的構(gòu)成來看 陽極擔(dān)負(fù)著微生物附著并傳遞電子的作用 可以說是決定MFC產(chǎn)電能力的重要因素 同時(shí)也是研究微生物產(chǎn)電機(jī)理與電子傳遞機(jī)理的重要的輔助工具 現(xiàn)在 MFC陽極主要是以碳為主要材料 包括碳紙 碳布 石墨棒 碳?xì)?泡沫石墨以及碳纖維刷 陽極是微生物氧化分解有機(jī)物的場(chǎng)所 所以微生物的量也就能影響產(chǎn)電量 因此陽極材料的選擇主要就是考慮材料的比表面積 8 質(zhì)子透過材料可以是鹽橋 也可以是多孔的瓷隔膜 理想的材料是只允許質(zhì)子透過 而基質(zhì) 細(xì)菌和氧氣等都被截留的微孔材料 現(xiàn)在試驗(yàn)中大多選用的是質(zhì)子交換膜PEM 9 最新的研究表明 陰極是制約MFC產(chǎn)電的主要原因之一 最理想的陰極電子受體應(yīng)當(dāng)是氧氣 但是從氧氣的還原動(dòng)力學(xué)來看 氧氣的還原速度較慢 這直接影響了MFC的產(chǎn)電性能 于是在陰極加入各種催化劑來提高氧氣的還原速率的研究開始了 根據(jù)陰極催化劑的種類可以將MFC陰極分為非生物陰極和生物陰極 貴金屬Pt 過渡金屬大環(huán)化合物 金屬氧化物 10 多級(jí)串聯(lián)MFC 填料式MFCs管狀A(yù)CMFCs在構(gòu)型上和操作方式上與污水處理設(shè)備中的生物濾池頗為相似 填料型MFCs類似于流化床反應(yīng)器 11 燃料電池優(yōu)勢(shì) 1 燃料來源多樣化 可以利用一般燃料電池不能利用的有機(jī)物 無機(jī)物 微生物呼吸的代謝產(chǎn)物 發(fā)酵的產(chǎn)物 以及污水等作為燃料 2 電池的操作條件較溫和 由于使用微生物作為催化劑 電池常溫常壓下即可運(yùn)行 這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同 使得電池維護(hù)成本低 安全性強(qiáng) 3 生物相容性好 利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料 可為植入人體的一些人造器官提供電能 4 無需能量輸入 微生物本身就可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化 把燃料能源轉(zhuǎn)化為電能 為人類提供能源 5 由于微生物燃料電池的唯一產(chǎn)物是水 所以該技術(shù)無污染 可實(shí)現(xiàn)零排放 6 能量利用率高 能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟 可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 能量利用效率較高 12 現(xiàn)狀 應(yīng)用及方向 微生物電解池 MEC 一種新型的利用廢水產(chǎn)氫技術(shù) 由于產(chǎn)電細(xì)菌能夠釋放電子 所以可以利用MFC形式的反應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)氫 微生物氧化底物釋放電子 這些電子與同步產(chǎn)生的質(zhì)子結(jié)合形成氫氣 但是這個(gè)過程無法自行完成 需要一個(gè)電化學(xué)來輔助其產(chǎn)氫氣 即在電路中施以外加電壓 所以這個(gè)過程也稱為電輔助產(chǎn)氫 微生物脫鹽池 MDC 用于淡化鹽水 目前的海水淡化技術(shù)要高壓及大量的電能 研究人員構(gòu)建的以醋酸為底物 不同初始濃度的鹽水的MDC 脫鹽率能達(dá)到90 13 在應(yīng)用程序開發(fā)的前景與微生物燃料電池方面 替代能源 傳感器 污水處理新技術(shù) 利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境未培養(yǎng)細(xì)菌的富集 替代能源 生物質(zhì)能因?yàn)镸FC將能轉(zhuǎn)化為電能的生物量直接轉(zhuǎn)化 機(jī)器人 汽車 醫(yī)療方面應(yīng)用潛力廣泛 14 微生物傳感器的發(fā)展 廣泛工作的MFC使用的原則制定新的生化需氧量傳感器在于 電池產(chǎn)生的電流或充電之間的污染物濃度呈良好的線性關(guān)系 電池的電流對(duì)污水響應(yīng)速度更快 有較好的重復(fù)性 作為一個(gè)新的水處理工藝目前 由于燃料有機(jī)廢水 有機(jī)物質(zhì)循環(huán)中的化學(xué)能的污水一直是MFC的這項(xiàng)研究的主要目的 但在研究中 污水處理后的MFC的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果 以便為新的污水處理技術(shù)開發(fā)的研究人員到MFC基本工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣 優(yōu)點(diǎn) 1 可以為微生物燃料電池提供一個(gè)新的研究方向 2 為處理污水 將無用資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭缮a(chǎn)能量的有用資源提供了新的發(fā)展方向 15