微生物燃料电池毕业设计论文

微生物燃料电池毕业论文

目录

A BSTRACT .................................................. 错误!未定义书签。第一章．文献综述 (1)

1.1能源发展与环境问题 (1)

1.2微生物燃料电池 (1)

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 (1)

1.3微藻型微生物燃料电池 (2)

1.3.1 微藻阳极底物型MFC (3)

1.3.2微藻生物阳极型MFC (3)

1.3.3微藻生物阴极型MFC (5)

1.4微生物燃料电池的应用前景 (5)

1.5本课题研究容，目的及意义 (6)

1.5.1本课题研究目的及意义 (6)

1.5.2 本课题的主要研究容 (6)

第二章实验材料与方法 (7)

2.1实验材料 (7)

2.1.1主要试剂及仪器 (7)

2.1.2实验装置 (8)

2.2实验方法 (9)

2.2.1 MFC的接种及启动运行 (9)

2.2.2 MFC运行条件 (11)

2.2.3 测定指标及方法 (12)

2.2.4 实验材料处理方法 (12)

2.2.5实验容 (12)

第三章结果与讨论 (14)

3.1各周期输出电压的情况 (14)

3.2各周期阴极藻的生长情况 (15)

3.3各周期阳极人工废水的COD处理情况 (16)

3.4各周期阴极溶氧的变化情况 (17)

第四章结论与展望 (20)

4.1结论 (20)

4.2展望 (21)

参考文献 (22)

第一章．文献综述

1.1能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系[1]。随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性[2]。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池(MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置，它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能，即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理[3,4]是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下:

图1-1 MFC的结构及原理示意图[3]

Fig.1-1 Schametics of the structure and working principle of MFC

阳极反应:

C6H12O6+6H2O→6CO2+24H+ +24e- (l-l)

E0=0.014 V

阴极反应:

602+24H+ +24e-→12H2O (l-2)

E0=1.23 V

1.3 微藻型微生物燃料电池

微藻与MFC技术分别因其高关注度均发展很快，但将两项技术进行结合（即微藻型MFC）开展相关研究的报道还比较少。早在1964年，Berk等[6]就开展了微藻型MFC的研究。他们以Rhodospirillum rubrum(红螺菌属)于阳极室厌氧光照培养，同时将blue-green marine algae(蓝藻)附着于多孔铂电极上于阴极室光照培养构建MFC，获得0.96V的最大开路电压以及750mA/m2的短路电流。但此MFC的能量利用效率仅为0.1-0.2%，与当时传统的太阳能电池技术相比还很低，因此相关研究一度停滞。直到近几年，微藻和MFC技术的分别发展，以及太阳能综合利用技术的研究，微藻型MFC又重新获得研究者们的关注。

按照微藻在MFC系统中的作用来划分，可将微藻型MFC分为微藻阳极底物、微藻生物阳极、微藻生物阴极三种类型。

1.3.1 微藻阳极底物型MFC

微藻阳极底物型MFC是将微藻作为阳极室阳极板上微生物可资利用的底物所构建的MFC。微藻是一种单细胞绿色植物，其生长速度快、占地面积小并且不与农作物竞争土地，藻体富含叶绿素、蛋白质、碳水化合物、油脂等，少木质素和纤维素[7]。MFC可以通过阳极产电微生物的作用对藻体进行水解和发酵，微藻在生长繁殖过程中也会分泌一些可溶性有机物(例如多糖等)被产电微生物所利用，最终产生清洁电能，这为微藻的资源化利用提供了一条新路径。微藻阳极底物利用方式又分为原位利用和异位利用。

原位利用方式是将藻类作为底物直接加入MFC阳极室进行利用。辉等[8]在沉积型MFC 阳极区中投加未经脱水脱毒处理的蓝藻，与相同条件下葡萄糖为底物的MFC相比，此MFC输出电量有所上升，并获得了5.7mW/m2的最大输出功率密度。

异位利用方式则是将微藻光生物反应器与MFC进行耦联，藻液由光生物反应器中培养后再通入MFC阳极室进行利用。Strik等[9]将一进行微藻培养的光生物反应器与MFC进行耦联产电，可持续产电100d，获得最大电流密度539mA/m2，最大功率密度110mW/m2；但该系统库伦效率仅为2.8%，分析原因可能是微藻有机体复杂，不及小分子有机底物更易利用。最近Rosenbaum等[10]提出将蓝藻在光生物反应器中固定化培养，产生易于降解的代谢产物后再通入耦联的MFC阳极室中供产电微生物利用，此方式可以提高MFC的库伦效率。

1.3.2 微藻生物阳极型MFC

微藻生物阳极型MFC是在阳极室中利用微藻直接产电，或是协同产电微生物共同产电。现有研究报道证明[11,12,13]微藻可以通过自身光合电子传递链或分解胞碳水化合物(例如糖原)直接产生电子，也可以间接提供电子。间接提供电子方式又包括两种：一是微藻光合产氢，氢气再被氧化产生电子；二是利用藻菌协同培养，微藻光合生长分泌可被细菌利用的有机物，细菌再利用有机物产生电子。

1.3.

2.1 微藻直接产电方式

1980-1990年间，Tanaka课题组报道了一系列利用MFC阳极室培养蓝藻并产电的研究[11,12,13]，第一次证实微藻在光照培养时能产生电流，并且光响应迅速。于是推测电子不仅

氧化产生，还可以通过光合电子传递链产生[13]。研究仅只能来自呼吸电子传递链或通过H

2

还观察到：当在阳极室进行微藻光暗间歇培养时，暗培养阶段的输出功率有所增加，藻细胞胞碳储存(糖原)被氧化分解；而在光培养阶段，藻体光合作用释放氧气限制了功率输出，胞碳储存增加[11,14]。以上研究均在阳极室添加了电子介体HNQ(2-羟基-1,4-萘醌)，但近年来有报道指出蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803存在纳米导线，这表明了微藻直接电子传

递的可能性[15]。Zou 等[16]利用一单室MFC 接种含藻淡水，在未添加有机底物、缓冲盐、电子介体的条件下，仅依靠光合作用产生了0.95mW/m 2(聚苯胺修饰阳极电极时)和1.3mW/m 2(聚吡咯修饰阳极电极时)的功率密度。何辉等[17]考察了小球藻(Chlorella vulgaris )阳极产电的性能，在无电子介体的条件下输出功率密度可达11.82mW/m 2，对实际污水的COD 去除率为40%；分析电子的产生由两部分组成，一是小球藻光解水产生，二是细胞代谢光合作用产生的碳水化合物，由细胞膜外累积的细胞色素失去电子给阳极，阳极反应式如下：

光合作用：

2222O O CH O H CO hv +?→?+ (1)

光解水：

-+++??→?e O H O H 22/1222光解 (2)

代谢作用： -+++????→?+e H CO O H O CH ism Microorgan

44222 (3) 1.3.2.2 微藻产氢产电方式

生物制氢是当今生物质能源利用中的一大研究热点。早在1939年，Gaffron 等[18]就首次发现绿藻的产氢现象，现在已知能产氢的藻类主要为绿藻和蓝藻。目前微藻产氢的最大障碍之一是氢气的反馈抑制作用，而利用MFC 的电化学催化作用及时将微藻产生的H 2转化成电能以降低H 2分压，减少反馈抑制作用，可以提高最终的H 2回收率。此MFC 中H 2/H +(电极催

化H 2氧化产生H +和电子)承担了电子介体的作用，将微生物细胞代谢产生的电子传递给阳极

电极，1964年Berk 等[6]对这一过程进行过验证。

微藻产氢产电方式也可分为原位和异位两种。原位产氢产电是直接在阳极室中培养微藻进行产氢，利用电极催化氧化H 2产电；异位产氢产电则是将微藻光合产氢反应器与MFC

装置串联，各反应室条件进行独立控制。Rosenbaum 等[10]用Chlamydomonas reinhardtii (莱茵衣藻)在原位产氢产电MFC 装置中提高了H 2的回收率，与传统的体积法收集相比增加了

100%；最大电流为9 mA 时对应的H 2回收速率为7.6 mL/L·h(以培养室体积计)。总体而言目

前将微藻产氢与MFC 产电过程相耦合的研究报道还比较少。

微藻生物阳极产氢产电MFC 的工业化瓶颈之一在于贵金属催化电极（一般为铂电极）的使用，此种电极成本高且不稳定易中毒失活。近来已有研究表明利用高分子传导材料可以保护铂催化剂的活性[19]，而更便宜的非贵金属催化剂碳化钨则被认为更有发展前景[20]。

1.3.

2.3 藻菌协同产电方式

藻菌协同产电是光合自养的微藻与异养产电的微生物一起在MFC 阳极室中光照培养，微藻光合作用产生的有机物(例如分泌的多糖)供给异养产电微生物进行氧化分解，MFC 通

过这种藻菌增效的方式进行产电。

藻菌协同产电的现象在自然生境中多见。例如沉积型MFC中就存在藻和细菌形成的生物膜，彼此之间形成增效关系。He等[21]曾在一个未添加任何有机物或营养物的淡水沉积物MFC中观察到电流的产生；电流强度在光照阶段下降，在黑暗阶段上升，持续的黑暗培养会导致电流下降；分子分类分析法表明此沉积型MFC中靠近阴极的沉积表面层多数为蓝藻和其他型微藻，越往下层异养微生物越占优势，且微生物种类越少。分析结果证明正是微藻等光合自养微生物产生的有机物供给了异养微生物的生长及产电，但光合作用的产物O

2也会对异养产电微生物的产电有所抑制。

1.3.3微藻生物阴极型MFC

将微藻放置MFC阴极室培养，光合作用产生的O

2

可以加速阴极室的氧化还原速率；同时

可吸收利用MFC阳极室反应释放出的CO

2，或对周边环境中的CO

2

进行捕捉；若选择能源型或

经济价值型微藻，还可进行藻体的有价回收，降低MFC成本，可谓一举多得。1964年Berk 等[6]已提出这一构想并进行研究，最近一些科学家也开始进行此项研究。

Powell等[22,23,24,25]以培养小球藻(Chlorella vulgaris)的光反应器作为MFC的阴极室进行了系列研究。首先对小球藻阴极半电池的可行性进行验证：以亚铁氰化钾作为阳极半电池电子供体的条件下构建的小球藻生物阴极型MFC，获得70mv输出电压、2.7mW/m2(以阴极表面积计)功率密度、和1.0μA/mg(以干藻重计)电流输出；随后阳极以Saccharomyces cerevisiae(酿酒酵母菌)发酵培养产乙醇，阴极光合培养Chlorella vulgaris的方式构建了一个两极完全微生物燃料电池，获得0.35V开路电压以及0.95mW/m2输出功率密度，分析结果表明相对于阳极酵母菌的快速生长，阴极小球藻的缓慢生长速率是产电的主要限制因素；以上述研究为基础，提出了以某生物乙醇制造厂已有发酵罐作为MFC电池系统的阳极半电池，在其周围建立小球藻光生物反应器阴极半电池的MFC综合系统项目设想，并进行了应用策划和经济可行性分析评估。该MFC综合系统可以同时达到收获电能、生物柴油和CO

2

捕捉的三重功效，具有可观的经济价值。

1.4 微生物燃料电池的应用前景

随着社会与经济的不断发展,能源消费将逐年增加。能源的大量消耗同时也带来了地球气温变暖、酸雨增加等各种问题。为了使人类使用的能源能稳定持久的供应,为了保护