微生物電池的原理與應用ppt課件.ppt

微生物燃料電池 MFC 微生物電池的原理與應用 1 相關概念發(fā)展歷史運行原理產能原理及效率電池結構電池優(yōu)勢現(xiàn)狀 應用及方向 目錄 2 相關概念 燃料電池 fuelcell 一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷地轉化成電能的電化學裝置 生物燃料電池 biofuelcell 利用酶或者微生物組織作為催化劑 將燃料的化學能轉化為電能的發(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能轉化為電能的裝置 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室內工作 3 發(fā)展歷史 1911 英國植物學家potter 開創(chuàng) 劍橋大學cohen教授構建了微生物電池堆 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bruce教授 byung 韓國 和比利時willy教授在MFC上做了大量研究 5 運行原理 有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化 產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陰極 從而形成回路產生電流 而質子通過質子交換膜到達陰極 與電子受體 氧氣 反應生成水 其陽極和陰極反應式如下所示 陽極反應 CH2O n nH2OnCO2 4ne 4nH 陰極反應 4e O2 4H 2H2O 工作原理圖示 6 產能原理及效率 MFC本質上是收獲微生物代謝過程中生產的電子并引導電子產生電流的系統(tǒng) MFC的功率輸出取決于系統(tǒng)傳遞電子的數量和速率以及陽極與陰極間的電位差 由于MFC并非一個熱機系統(tǒng) 避免了卡諾循環(huán)的熱力學限制 因此 理論上MFC是化學能轉變?yōu)殡娔茏钣行У难b置 最大效率有可能接近100 7 電池結構 從MFC的構成來看 陽極擔負著微生物附著并傳遞電子的作用 可以說是決定MFC產電能力的重要因素 同時也是研究微生物產電機理與電子傳遞機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 碳氈 泡沫石墨以及碳纖維刷 陽極是微生物氧化分解有機物的場所 所以微生物的量也就能影響產電量 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子透過 而基質 細菌和氧氣等都被截留的微孔材料 現(xiàn)在試驗中大多選用的是質子交換膜PEM 9 最新的研究表明 陰極是制約MFC產電的主要原因之一 最理想的陰極電子受體應當是氧氣 但是從氧氣的還原動力學來看 氧氣的還原速度較慢 這直接影響了MFC的產電性能 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 多級串聯(lián)MFC 填料式MFCs管狀ACMFCs在構型上和操作方式上與污水處理設備中的生物濾池頗為相似 填料型MFCs類似于流化床反應器 11 燃料電池優(yōu)勢 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物 無機物 微生物呼吸的代謝產物 發(fā)酵的產物 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行 這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同 使得電池維護成本低 安全性強 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行能量轉化 把燃料能源轉化為電能 為人類提供能源 5 由于微生物燃料電池的唯一產物是水 所以該技術無污染 可實現(xiàn)零排放 6 能量利用率高 能量轉化過程無燃燒步驟 可直接將化學能轉化為電能 能量利用效率較高 12 現(xiàn)狀 應用及方向 微生物電解池 MEC 一種新型的利用廢水產氫技術 由于產電細菌能夠釋放電子 所以可以利用MFC形式的反應器進行產氫 微生物氧化底物釋放電子 這些電子與同步產生的質子結合形成氫氣 但是這個過程無法自行完成 需要一個電化學來輔助其產氫氣 即在電路中施以外加電壓 所以這個過程也稱為電輔助產氫 微生物脫鹽池 MDC 用于淡化鹽水 目前的海水淡化技術要高壓及大量的電能 研究人員構建的以醋酸為底物 不同初始濃度的鹽水的MDC 脫鹽率能達到90 13 在應用程序開發(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 利用微生物燃料電池的特殊環(huán)境未培養(yǎng)細菌的富集 替代能源 生物質能因為MFC將能轉化為電能的生物量直接轉化 機器人 汽車 醫(yī)療方面應用潛力廣泛 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 電池產生的電流或充電之間的污染物濃度呈良好的線性關系 電池的電流對污水響應速度更快 有較好的重復性 作為一個新的水處理工藝目前 由于燃料有機廢水 有機物質循環(huán)中的化學能的污水一直是MFC的這項研究的主要目的 但在研究中 污水處理后的MFC的水質監(jiān)測結果 以便為新的污水處理技術開發(fā)的研究人員到MFC基本工作原理產生了濃厚的興趣 優(yōu)點 1 可以為微生物燃料電池提供一個新的研究方向 2 為處理污水 將無用資源轉變?yōu)榭缮a能量的有用資源提供了新的發(fā)展方向 15