微生物燃料电池在水处理中的应用
当废旧干电池在土壤中腐烂释放出有毒重金属的时候,当环境污染已成为每个人都不得不面对的问题的时候,当 "矿物能源枯竭"已不再是天方夜谭的时候,一种清洁高效的能源走进了人们的视野,它就是微生物燃料电池。
一、基本原理
微生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类,它利用微生物作为反应主体,将燃料的化学能直接转化为电能。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。
1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流。从此,开创了生物燃料电池的研究。现在,研究较多的微生物燃料电池是将发酵过程中产生氢气的微生物细胞直接固定在H2/O2 燃料电池的阳极,如将卷筒式的铂电极放入含C.butyricum微生物的悬浮液中,悬浮液即与丙烯酰胺聚合形成凝胶。在电极表面进行的发酵过程可直接提供阳极所需的燃料H2 ,而发酵过程的副产物则可作为次级燃料进一步被利用。例如产生的甲酸在凝胶中向阳极扩散,并在阳极电化学氧化生成氢离子和二氧化碳。对于上述体系,H2 是主要的发酵产物。但当发酵液通过阳极时,代谢产生的甲酸也作为燃料在阳极直接氧化,因此H2并不是阳极电流的唯一来源。在最优化的操作条件下,含 0.4g湿微生物细胞 (相当于 0.1 g干细胞 )的电池可以达到 0.4V的输出电压和 0.6mA的输出电流 。
二、独特的优点
微生物燃料电池为人们所重视,自然有它的独特优点:
1. 原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机,无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。也就是说,地里的高粱秆,吃剩的香蕉皮,甚至是洗菜水都可以转变成电能。
2. 操作条件温和。一般是在常温,常压,接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低,安全性强 。微生物的培养通常不需要苛刻的条件,只需要"一箪食,一瓢饮",而燃料电池也只是加了容器和两个电极罢了。
3. 资源利用率高,无污染。既然微生物可以利用如此多的有机原料和无机原料,那么就不必担心要像烧火炉一样每天掏灰,而且不像直接燃烧那么乌烟瘴气,能量利用率也上了一个台阶。
三、广泛的应用前景
原料广泛,条件温和而又清洁高效,微生物燃料电池吸引了能源,交通,环境,航天等各方面的广泛关注。人们希望研制出可用于宇宙飞船的电池,以宇航员的生活废物为燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃料电池如果应用于污水处理,既可分解其中的污染物,又可产生电力供应自己和周围地区的需要;甚至,在科幻电影中以天然食物为能源,可以通过"吃饭"来补充能量的机器人也将成为现实。这是一个梦幻般的前景,如果实现,我们将可以广泛使用到大量的,高效的,清洁的能源。
四、不足之处及解决方案
虽然微生物燃料电池有如此多的优点,但是它作为一种新能源的实际应用仍存在不小的障碍。主要是因为它的输出功率密度远不能满足要求。按照Marcus和Sotin提出的理论,电子传递速率是由电势差,重组能和电子供体与受体之间的距离决定的,决定微生物燃料电池输出功率密度的主要因素是相关的电子传递过程,也就是说,生物体系缓慢的电子传递速率是微生物燃料电池发展的瓶颈。理论和实验都表明,随着电子传递途径距离的增加,电子传递速率呈指数下降的趋势。酶分子蛋白质的外壳对从活性中心到电极的直接电子传递产生了屏蔽作用,微生物细胞的体积要比酶分子大的多,所以屏蔽作用就更加明显了。引入电子传递介体一定程度上可提供有效的电子传递通道。然而,有时这样做无形之中又增大了电子的传递距离,其总体的效果依然不令人满意。因而最理想的是通过借鉴生物电化学领域的直接电子传递的研究成果,在微生物燃料电池中实现直接的电子传递,从而提高输出功率。目前,实现直接的电子传递主要有以下几种方法:
1. 对微生物酶的外壳进行修饰,再将其固定到电极表面从而实现电子的直接传递;
2. 在比微生物细胞更小的尺度上,直接使用导电聚合物固定酶,使导电聚合物深入到酶的活性中心附近,从而大大缩短电子传递的距离,实现电子的直接传递;
3. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子,以及碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸效应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快速的电子传递。
五、结语
总之,作为一种清洁,高效的全新能源,微生物燃料电池拥有众多的优势,也尚有不少的不足。随着生物科学,电化学等相关学科的发展,微生物燃料电池必将在人类的能源史上展开新的篇章,带给我们美好的未来。
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