【正文】 物作為物理電極的活性物質(zhì)，引起物理電極的電位偏移，增加了電位差，從而獲得電能，即將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｒ杂匈|(zhì)子交換膜的雙室微生物燃料電池為例（如圖1） ，它的工作原理 [3,4]是:在陽極區(qū)，微生物將有機(jī)底物氧化，這個(gè)過程要伴隨電子和質(zhì)子（NADH)的釋放。釋放的電子在微生物作用下通過電子傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)移到電極上。電子通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)，釋放出來的質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜也到達(dá)陰極南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文2區(qū)。在陰極區(qū)，電子、質(zhì)子和氧氣反應(yīng)生成水。隨著陽極區(qū)有機(jī)物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，在外電路獲得持續(xù)的電流。以葡萄糖為例，其反應(yīng)式如下: 圖11 MFC的結(jié)構(gòu)及原理示意圖 [3] Schametics of the structure and working principle of MFC陽極反應(yīng):C6H12O6+6H2O→6CO2+24H+ +24e (ll)E0= V陰極反應(yīng):602+24H+ +24e→12H2O (l2)E0= V 微藻型微生物燃料電池微藻與MFC技術(shù)分別因其高關(guān)注度均發(fā)展很快，但將兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合（即微藻型MFC）開展相關(guān)研究的報(bào)道還比較少。早在 1964年， Berk等 [6]就開展了微藻型MFC的研究。他們以Rhodospirillum rubrum(紅螺菌屬)于陽極室厭氧光照培養(yǎng)，同時(shí)將 bluegreen marine algae(藍(lán)藻 )附著于多孔鉑電極上于陰極室光照培養(yǎng)構(gòu)建MFC， 的最大開路電壓以及750mA/m 2的短路電流。但此MFC %，與當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的太陽能電池技術(shù)相比還很低，因此相關(guān)研究一度停滯。直到近幾年，微藻和MFC技術(shù)的分別發(fā)展，以及太陽能綜合利用技術(shù)的研究，微藻型MFC又重新獲得研究者們的關(guān)注。按照微藻在MFC系統(tǒng)中的作用來劃分，可將微藻型MFC 分為微藻陽極底物、微藻生第一章 文獻(xiàn)綜述3物陽極、微藻生物陰極三種類型。 微藻陽極底物型MFC微藻陽極底物型MFC是將微藻作為陽極室陽極板上微生物可資利用的底物所構(gòu)建的MFC。微藻是一種單細(xì)胞綠色植物，其生長速度快、占地面積小并且不與農(nóng)作物競爭土地，藻體富含葉綠素、蛋白質(zhì)、碳水化合物、油脂等，少木質(zhì)素和纖維素 [7]。MFC可以通過陽極產(chǎn)電微生物的作用對藻體進(jìn)行水解和發(fā)酵，微藻在生長繁殖過程中也會(huì)分泌一些可溶性有機(jī)物( 例如多糖等)被產(chǎn)電微生物所利用，最終產(chǎn)生清潔電能，這為微藻的資源化利用提供了一條新路徑。微藻陽極底物利用方式又分為原位利用和異位利用。原位利用方式是將藻類作為底物直接加入MFC 陽極室進(jìn)行利用。陳輝等 [8]在沉積型MFC陽極區(qū)中投加未經(jīng)脫水脫毒處理的藍(lán)藻，與相同條件下葡萄糖為底物的MFC 相比，此MFC輸出電量有所上升，并獲得了 。異位利用方式則是將微藻光生物反應(yīng)器與MFC 進(jìn)行耦聯(lián)，藻液由光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)后再通入MFC陽極室進(jìn)行利用。 Strik等 [9]將一進(jìn)行微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器與MFC進(jìn)行耦聯(lián)產(chǎn)電，可持續(xù)產(chǎn)電100d，獲得最大電流密度539mA/m 2，最大功率密度110mW/m 2；%，分析原因可能是微藻有機(jī)體復(fù)雜，不及小分子有機(jī)底物更易利用。最近Rosenbaum等 [10]提出將藍(lán)藻在光生物反應(yīng)器中固定化培養(yǎng)，產(chǎn)生易于降解的代謝產(chǎn)物后再通入耦聯(lián)的MFC 陽極室中供產(chǎn)電微生物利用，此方式可以提高 MFC的庫倫效率。 微藻生物陽極型MFC 微藻生物陽極型MFC是在陽極室中利用微藻直接產(chǎn)電，或是協(xié)同產(chǎn)電微生物共同產(chǎn)電?，F(xiàn)有研究報(bào)道證明 [11,12,13]微藻可以通過自身光合電子傳遞鏈或分解胞內(nèi)碳水化合物(例如糖原)直接產(chǎn)生電子，也可以間接提供電子。間接提供電子方式又包括兩種：一是微藻光合產(chǎn)氫，氫氣再被氧化產(chǎn)生電子；二是利用藻菌協(xié)同培養(yǎng)，微藻光合生長分泌可被細(xì)菌利用的有機(jī)物，細(xì)菌再利用有機(jī)物產(chǎn)生電子。 微藻直接產(chǎn)電方式19801990年間，Tanaka課題組報(bào)道了一系列利用MFC 陽極室培養(yǎng)藍(lán)藻并產(chǎn)電的研究[11,12,13]，第一次證實(shí)微藻在光照培養(yǎng)時(shí)能產(chǎn)生電流，并且光響應(yīng)迅速。于是推測電子不僅僅只能來自呼吸電子傳遞鏈或通過H 2氧化產(chǎn)生，還可以通過光合電子傳遞鏈產(chǎn)生 [13]。研究還觀察到：當(dāng)在陽極室進(jìn)行微藻光暗間歇培養(yǎng)時(shí)，暗培養(yǎng)階段的輸出功率有所增加，藻細(xì)胞胞內(nèi)碳儲(chǔ)存(糖原) 被氧化分解；而在光培養(yǎng)階段，藻體光合作用釋放氧氣限制了功南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文4率輸出，胞內(nèi)碳儲(chǔ)存增加 [11,14]。以上研究均在陽極室添加了電子介體HNQ(2羥基1,4萘醌)，但近年來有報(bào)道指出藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803存在納米導(dǎo)線，這表明了微藻直接電子傳遞的可能性 [15]。Zou等 [16]利用一單室MFC 接種含藻淡水，在未添加有機(jī)底物、緩沖鹽、電子介體的條件下，(聚苯胺修飾陽極電極時(shí))和(聚吡咯修飾陽極電極時(shí))的功率密度。何輝等 [17]考察了小球藻(Chlorella vulgaris )陽極產(chǎn)電的性能，對實(shí)際污水的COD去除率為40%；分析電子的產(chǎn)生由兩部分組成，一是小球藻光解水產(chǎn)生，二是細(xì)胞代謝光合作用產(chǎn)生的碳水化合物，由細(xì)胞膜外累積的細(xì)胞色素失去電子給陽極，陽極反應(yīng)式如下：光合作用： (1)22OCHCOhv?? ???光解水： (2) ????? e/122光 解 代謝作用： (3)??????? eHCismMicrogan422 微藻產(chǎn)氫產(chǎn)電方式生物制氫是當(dāng)今生物質(zhì)能源利用中的一大研究熱點(diǎn)。早在1939年，Gaffron等 [18]就首次發(fā)現(xiàn)綠藻的產(chǎn)氫現(xiàn)象，現(xiàn)在已知能產(chǎn)氫的藻類主要為綠藻和藍(lán)藻。目前微藻產(chǎn)氫的最大障礙之一是氫氣的反饋抑制作用，而利用MFC 的電化學(xué)催化作用及時(shí)將微藻產(chǎn)生的 H2轉(zhuǎn)化成電能以降低H 2分壓，減少反饋抑制作用，可以提高最終的 H2回收率。此MFC中H2/H+(電極催化 H2氧化產(chǎn)生H +和電子)承擔(dān)了電子介體的作用，將微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)生的電子傳遞給陽極電極，1964年Berk等 [6]對這一過程進(jìn)行過驗(yàn)證。微藻產(chǎn)氫產(chǎn)電方式也可分為原位和異位兩種。原位產(chǎn)氫產(chǎn)電是直接在陽極室中培養(yǎng)微藻進(jìn)行產(chǎn)氫，利用電極催化氧化H 2產(chǎn)電；異位產(chǎn)氫產(chǎn)電則是將微藻光合產(chǎn)氫反應(yīng)器與MFC裝置串聯(lián)，各反應(yīng)室條件進(jìn)行獨(dú)立控制。 Rosenbaum等 [10]用Chlamydomonas reinhardtii(萊茵衣藻)在原位產(chǎn)氫產(chǎn)電MFC 裝置中提高了 H2的回收率，與傳統(tǒng)的體積法收集相比增加了100%；最大電流為9 mA時(shí)對應(yīng)的H mL/Lh(以培養(yǎng)室體積計(jì))。總體而言目前將微藻產(chǎn)氫與MFC 產(chǎn)電過程相耦合的研究報(bào)道還比較少。微藻生物陽極產(chǎn)氫產(chǎn)電MFC 的工業(yè)化瓶頸之一在于貴金屬催化電極（一般為鉑電極）的使用，此種電極成本高且不穩(wěn)定易中毒失活。近來已有研究表明利用高分子傳導(dǎo)材料可以保護(hù)鉑催化劑的活性 [19]，而更便宜的非貴金屬催化劑碳化鎢則被認(rèn)為更有發(fā)展前景第一章 文獻(xiàn)綜述5[20]。 藻菌協(xié)同產(chǎn)電方式藻菌協(xié)同產(chǎn)電是光合自養(yǎng)的微藻與異養(yǎng)產(chǎn)電的微生物一起在MFC陽極室中光照培養(yǎng)，微藻光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物(例如分泌的多糖)供給異養(yǎng)產(chǎn)電微生物進(jìn)行氧化分解，MFC通過這種藻菌增效的方式進(jìn)行產(chǎn)電。藻菌協(xié)同產(chǎn)電的現(xiàn)象在自然生境中多見。例如沉積型MFC中就存在藻和細(xì)菌形成的生物膜，彼此之間形成增效關(guān)系。He等 [21]曾在一個(gè)未添加任何有機(jī)物或營養(yǎng)物的淡水沉積物MFC中觀察到電流的產(chǎn)生；電流強(qiáng)度在光照階段下降，在黑暗階段上升，持續(xù)的黑暗培養(yǎng)會(huì)導(dǎo)致電流下降；分子分類分析法表明此沉積型MFC中靠近陰極的沉積表面層多數(shù)為藍(lán)藻和其他型微藻，越往下層異養(yǎng)微生物越占優(yōu)勢，且微生物種類越少。分析結(jié)果證明正是微藻等光合自養(yǎng)微生物產(chǎn)生的有機(jī)物供給了異養(yǎng)微生物的生長及產(chǎn)電，但光合作用的產(chǎn)物O 2也會(huì)對異養(yǎng)產(chǎn)電微生物的產(chǎn)電有所抑制。 微藻生物陰極型MFC將微藻放置MFC陰極室培養(yǎng)，光合作用產(chǎn)生的 O2可以加速陰極室的氧化還原速率；同時(shí)可吸收利用MFC陽極室反應(yīng)釋放出的 CO2，或?qū)χ苓叚h(huán)境中的CO 2進(jìn)行捕捉；若選擇能源型或經(jīng)濟(jì)價(jià)值型微藻，還可進(jìn)行藻體的有價(jià)回收，降低MFC成本，可謂一舉多得。1964年Berk等 [6]已提出這一構(gòu)想并進(jìn)行研究，最近一些科學(xué)家也開始進(jìn)行此項(xiàng)研究。Powell等 [22,23,24,25]以培養(yǎng)小球藻(Chlorella vulgaris)的光反應(yīng)器作為MFC 的陰極室進(jìn)行了系列研究。首先對小球藻陰極半電池的可行性進(jìn)行驗(yàn)證：以亞鐵氰化鉀作為陽極半電池電子供體的條件下構(gòu)建的小球藻生物陰極型MFC，獲得70mv輸出電壓、(以陰極表面積計(jì)) 功率密度、( 以干藻重計(jì) )電流輸出；隨后陽極以Saccharomyces cerevisiae(釀酒酵母菌 )發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)乙醇，陰極光合培養(yǎng) Chlorella vulgaris的方式構(gòu)建了一個(gè)兩極完全微生物燃料電池， ，分析結(jié)果表明相對于陽極酵母菌的快速生長，陰極小球藻的緩慢生長速率是產(chǎn)電的主要限制因素；以上述研究為基礎(chǔ)，提出了以某生物乙醇制造廠已有發(fā)酵罐作為MFC電池系統(tǒng)的陽極半電池，在其周圍建立小球藻光生物反應(yīng)器陰極半電池的MFC綜合系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)想，并進(jìn)行了應(yīng)用策劃和經(jīng)濟(jì)可行性分析評估。該MFC 綜合系統(tǒng)可以同時(shí)達(dá)到收獲電能、生物柴油和CO 2捕捉的三重功效，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文6 微生物燃料電池的應(yīng)用前景 隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,能源消費(fèi)將逐年增加。能源的大量消耗同時(shí)也帶來了地球氣溫變暖、酸雨增加等各種問題。為了使人類使用的能源能穩(wěn)定持久的供應(yīng),為了保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境,近一段時(shí)間以來,新能源的研制開發(fā)受到普遍的重視，各國都在加快步伐開發(fā)代替現(xiàn)有能源的清潔能源。微生物燃料電池作為一種新能源，其發(fā)電技術(shù)正引起各國科學(xué)家注目并被積極地著手進(jìn)行優(yōu)化改善。到目前為止,雖然微生物燃料電池的發(fā)電效率仍然比較低，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x [26]，但隨著微生物燃料電池技術(shù)在研制和開發(fā)應(yīng)用中取得不斷的進(jìn)展，相信其作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，將逐漸走進(jìn)正式大型工業(yè)化應(yīng)用階段，使用微生物電池處理污水一方面可以為微生物燃料電池提供一個(gè)新的研究方向，另一方面，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。而且微生物燃料電池將污水中可降解有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了污水處理的同時(shí)產(chǎn)生新資源的新概念發(fā)展。在采用污水作為原料的MFC中，通