環(huán)境生物ppt課件-閱讀頁
2025-02-01 18:00本頁面
【正文】 第一節(jié) 概述 生物燃料電池概念和特點 概念和原理 生物燃料電池（ biofuel cell）：利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。 生物燃料電池的類型 ? 按使用催化劑形式的不同，可分為酶生物燃料電池和微生物燃料電池 ? 根據(jù)電子轉(zhuǎn)移方式的不同，可分為直接生物燃料電池和間接生物燃料電池 ? 酶生物燃料電池： 先將酶從生物體系中提取出來，然后利用其活性在陽極催化燃料分子氧化，同時加速陰極氧的還原； ? 微生物燃料電池： 指利用整個微生物細(xì)胞作催化劑，依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和電極之間進(jìn)行有效的電子傳遞。 ? 微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell, 簡稱MFC)是以微生物為催化劑，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。微生物燃料電池代表了當(dāng)今最前沿的廢棄物資源化利用方向，有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)。 (2)反應(yīng)條件溫和 ,常溫常壓下即可運行 。 (4)因能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟 ,故理論轉(zhuǎn)化效率較高。 ? 中間介體具備條件： 1）容易與生物催化劑及電極發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)； 2）氧化態(tài)和還原態(tài)都較穩(wěn)定，不會因長時間氧化還原循環(huán)而被分解； 3）介體的氧化還原電對有較大的負(fù)電勢，使電池兩級有較大電壓； 4）有適當(dāng)極性以保證能溶于水且易通過微生物膜或被酶吸附； 5）對微生物無毒，且不能被微生物利用。 ? 從廢水或海底沉積物中富集的微生物群落也可用于構(gòu)建直接微生物燃料電池。典型的雙室 MFCs 包括陽極室和陰極室 , 中間由 PEM 或鹽橋連接。從外形上又分為平板型和管型。 雙室 MFCs 和單室 MFCs 產(chǎn)電微生物 ? 產(chǎn)電微生物 :指那些能夠在厭氧條件下完全氧化有機(jī)物成 CO2，然后把氧化過程中產(chǎn)生的電子通過電子傳遞鏈傳遞到電極上產(chǎn)生電流的微生物，同時微生物在電子傳遞過程中獲得能量支持生長。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示 ： 陽極反應(yīng)： (CH2O)n＋ nH2O nCO2＋ 4ne＋ 4nH+ 陰極反應(yīng)： 4e＋ O2＋ 4H+ 2H2O MFC的基本工作原理： PEM 負(fù)載 陽極室 陰極室 O2 CO2 H+ e e e H2O e H+ 有機(jī)物 微生物 圖 Fig. 1 The working principle of a microbial fuel cell 電池性能制約因素： ? (1)動力學(xué)因素 ,陽極和陰極反應(yīng)活化能的因素 。 ? (3)傳遞因素 ,反應(yīng)物到微生物活性位的傳質(zhì)阻力和陰極區(qū)電子最終受體的擴(kuò)散。 應(yīng)用前景和發(fā)展方向 ? ① 替代能源 。 ? ③ 污水處理新工藝 。 目 前大多數(shù)微生物燃料電池由單一菌種構(gòu)建。今后的研究將繼續(xù)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生物。 第三節(jié) 酶生物燃料電池 概述 酶生物燃料電池是將酶從生物體系中提取出來，利用其活性在陽極催化燃料分子氧化、同時加速陰極氧的還原 與微生物燃料電池相比 微生物燃料電池和酶燃料電池的比較 parameter 微生物燃料電池 酶燃料電池 催化劑 微生物 酶 使用壽命 長 短 氧化能力 完全氧化 不完全氧化 能量濃度 低 高 成本 高 低 膜表面分離器 需要 不需要 酶 生物燃料電池的結(jié)構(gòu) 在酶燃料電池中 ,酶可以與介體一起溶解在底物 ( 燃料 ) 中 ,也可以固定在電極上。在早期的生物燃料電池系統(tǒng)中 , 更多地用氣體擴(kuò)散電極與酶陽極或陰極相匹配用兩種不同酶電極的酶燃料電池較少。此外 , 使用固定酶電極的酶燃料電池為了防止兩電極間電極反應(yīng)物與產(chǎn)物的相互干擾 ,一般將正、負(fù)電極用質(zhì)子交換膜分隔為陰極區(qū)和陽極區(qū) ,即兩極室酶燃料電池 ,這與傳統(tǒng)電池陰極 P 隔膜 P 陽極的結(jié)構(gòu)相仿。 酶燃料 電池的基本結(jié)構(gòu) 無隔膜酶燃料電池 雖然兩極室的酶燃料電池有很多優(yōu)點和用途，但由于需要隔膜給實際操作帶來許多不便，也不利于電池的微型化。 單極室的無隔膜酶燃料電池采用均相混合溶液作為燃料，不僅使電性能得到提高，而且有利于電池微型化 采用 BOD P GOx 電極的酶燃料電池可植入人體內(nèi)為生物傳感器提供電能。通過采用微細(xì)電極材料和電極制備技術(shù)有可能研制出體積更小的微電池和微電池組。在疾病的診斷和治療、環(huán)境保護(hù)以及航空航天等領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。直接傳遞的好處在于使電子直接從催化劑傳遞到電極，中間使用傳遞媒介的這一問題得到解決。酶是 蛋白質(zhì)，在緩沖液當(dāng)中的壽命時間是八小時到兩天，盡管固定在電極表面的酶的壽命可以延長到 7到 20天。陽極必須要使表面區(qū)域所需要的達(dá)到最佳化，孔越小，相對反應(yīng)面積越大，反應(yīng)速率越快。 2）成功的固定化多酶系統(tǒng)是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。這和細(xì)胞內(nèi)可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。 ? 在應(yīng)用程序開發(fā)的前景與微生物燃料電池方面： ? ①替代能源 。③ 污水處理新技術(shù) 。 ? 替代能源，生物質(zhì)能 因為 MFC將能轉(zhuǎn)化為電能的生物量直接轉(zhuǎn)化 ，機(jī)器人、汽車、醫(yī)療方面應(yīng)用潛力廣泛。 生物燃料電池的價值和應(yīng)用 第四節(jié) 生物燃料電池的應(yīng)用與前景 最新成果 ? 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：①電池產(chǎn)生的電流或充電之間的污染物濃度呈良好的線性關(guān)系 。③ 有較好的重復(fù)性。 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(zhuǎn)變?yōu)榭缮a(chǎn)能量的有用資源提供了新的發(fā)展方向。隨著研究的不斷深入的 MFC， MFC應(yīng)用程序?qū)槠诓贿h(yuǎn)工業(yè)
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