微生物燃料電池在水處理中的應(yīng)用
當(dāng)廢舊干電池在土壤中腐爛釋放出有毒重金屬的時候,當(dāng)環(huán)境污染已成為每個人都不得不面對的問題的時候,當(dāng) "礦物能源枯竭"已不再是天方夜譚的時候,一種清潔高效的能源走進了人們的視野,它就是微生物燃料電池。
一、基本原理
微生物燃料電池是燃料電池中特殊的一類,它利用微生物作為反應(yīng)主體,將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。其工作原理與傳統(tǒng)的燃料電池存在許多相同之處。
1911年植物學(xué)家Potter用酵母和大腸桿菌進行試驗,發(fā)現(xiàn)微生物也可以產(chǎn)生電流。從此,開創(chuàng)了生物燃料電池的研究。現(xiàn)在,研究較多的微生物燃料電池是將發(fā)酵過程中產(chǎn)生氫氣的微生物細胞直接固定在H2/O2 燃料電池的陽極,如將卷筒式的鉑電極放入含C.butyricum微生物的懸浮液中,懸浮液即與丙烯酰胺聚合形成凝膠。在電極表面進行的發(fā)酵過程可直接提供陽極所需的燃料H2 ,而發(fā)酵過程的副產(chǎn)物則可作為次級燃料進一步被利用。例如產(chǎn)生的甲酸在凝膠中向陽極擴散,并在陽極電化學(xué)氧化生成氫離子和二氧化碳。對于上述體系,H2 是主要的發(fā)酵產(chǎn)物。但當(dāng)發(fā)酵液通過陽極時,代謝產(chǎn)生的甲酸也作為燃料在陽極直接氧化,因此H2并不是陽極電流的唯一來源。在最優(yōu)化的操作條件下,含 0.4g濕微生物細胞 (相當(dāng)于 0.1 g干細胞 )的電池可以達到 0.4V的輸出電壓和 0.6mA的輸出電流 。
二、獨特的優(yōu)點
微生物燃料電池為人們所重視,自然有它的獨特優(yōu)點:
1. 原料廣泛。可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機,無機物質(zhì)作為燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。也就是說,地里的高粱稈,吃剩的香蕉皮,甚至是洗菜水都可以轉(zhuǎn)變成電能。
2. 操作條件溫和。一般是在常溫,常壓,接近中性的環(huán)境中工作的。這使得電池維護成本低,安全性強 。微生物的培養(yǎng)通常不需要苛刻的條件,只需要"一簞食,一瓢飲",而燃料電池也只是加了容器和兩個電極罷了。
3. 資源利用率高,無污染。既然微生物可以利用如此多的有機原料和無機原料,那么就不必擔(dān)心要像燒火爐一樣每天掏灰,而且不像直接燃燒那么烏煙瘴氣,能量利用率也上了一個臺階。
三、廣泛的應(yīng)用前景
原料廣泛,條件溫和而又清潔高效,微生物燃料電池吸引了能源,交通,環(huán)境,航天等各方面的廣泛關(guān)注。人們希望研制出可用于宇宙飛船的電池,以宇航員的生活廢物為燃料,以最高效率的利用能量;微生物燃料電池如果應(yīng)用于污水處理,既可分解其中的污染物,又可產(chǎn)生電力供應(yīng)自己和周圍地區(qū)的需要;甚至,在科幻電影中以天然食物為能源,可以通過"吃飯"來補充能量的機器人也將成為現(xiàn)實。這是一個夢幻般的前景,如果實現(xiàn),我們將可以廣泛使用到大量的,高效的,清潔的能源。
四、不足之處及解決方案
雖然微生物燃料電池有如此多的優(yōu)點,但是它作為一種新能源的實際應(yīng)用仍存在不小的障礙。主要是因為它的輸出功率密度遠不能滿足要求。按照Marcus和Sotin提出的理論,電子傳遞速率是由電勢差,重組能和電子供體與受體之間的距離決定的,決定微生物燃料電池輸出功率密度的主要因素是相關(guān)的電子傳遞過程,也就是說,生物體系緩慢的電子傳遞速率是微生物燃料電池發(fā)展的瓶頸。理論和實驗都表明,隨著電子傳遞途徑距離的增加,電子傳遞速率呈指數(shù)下降的趨勢。酶分子蛋白質(zhì)的外殼對從活性中心到電極的直接電子傳遞產(chǎn)生了屏蔽作用,微生物細胞的體積要比酶分子大的多,所以屏蔽作用就更加明顯了。引入電子傳遞介體一定程度上可提供有效的電子傳遞通道。然而,有時這樣做無形之中又增大了電子的傳遞距離,其總體的效果依然不令人滿意。因而最理想的是通過借鑒生物電化學(xué)領(lǐng)域的直接電子傳遞的研究成果,在微生物燃料電池中實現(xiàn)直接的電子傳遞,從而提高輸出功率。目前,實現(xiàn)直接的電子傳遞主要有以下幾種方法:
1. 對微生物酶的外殼進行修飾,再將其固定到電極表面從而實現(xiàn)電子的直接傳遞;
2. 在比微生物細胞更小的尺度上,直接使用導(dǎo)電聚合物固定酶,使導(dǎo)電聚合物深入到酶的活性中心附近,從而大大縮短電子傳遞的距離,實現(xiàn)電子的直接傳遞;
3. 通過在電極表面進行貴金屬納米粒子,以及碳納米管等物質(zhì)的修飾,利用納米粒子的尺寸效應(yīng),表面效應(yīng)等奇妙的特性來實現(xiàn)直接的,快速的電子傳遞。
五、結(jié)語
總之,作為一種清潔,高效的全新能源,微生物燃料電池擁有眾多的優(yōu)勢,也尚有不少的不足。隨著生物科學(xué),電化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,微生物燃料電池必將在人類的能源史上展開新的篇章,帶給我們美好的未來。
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