微生物燃料电池的研究进展与展望_潘朝智

ProgressinresearchofmicrobialfuelcellsanditsoutlookPanChaozhi1，2，NiuDongjie1，2，3，HuangHui1，2，MohammedAwadAliYousif1，2（1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.UNEP-TongjiInstituteofSustainableDevelopmentforEnvironment，Shanghai200092，China；3.KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironment，MinistryofEducation，Shanghai200092，China）微生物燃料电池的研究进展与展望潘朝智1，2，牛冬杰1，2，3，黄慧1，穆罕默德·阿里1，2（1.同济大学环境科学与工程学院，上海200092；2.联合国环境规划署－同济大学环境与可持续发展学院，上海200092；3.教育部长江水环境重点实验室，上海200092）［摘要］微生物燃料电池（MFCs）作为一种新型的环境生物技术，因其能很好地将有机污染物处理和能源制备结合在一起而引起各国学者的广泛关注和研究。作者介绍了微生物燃料电池的工作原理，系统地从微生物、底物、电活性介体、电极构造、质子交换膜和反应器设计等方面阐述了微生物燃料电池的研究现状。针对微生物燃料电池今后的发展和规模化应用，提出了4个研究方向：新型阴极氧化剂的研制、MFCs过程模拟、厌氧-MFCs耦合、多个MFCs电池组性能。［关键词］微生物燃料电池；产电微生物；电子传递；底物；质子交换膜［中图分类号］TM911.45［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2010）12-0015-06Abstract：Microbialfuelcells（MFCs），asanovelenvironmentalbiotechnology，hasperfectlycombinedorganicpollutantremovalwithsimultaneousenergyproduction，attractingnumerousresearchers’attentions.ThemechanismofMFCsisintroduced，andthecurrentresearchprogressescoveringtheaspectsofmicroorganism，substrate，elec-tronactivatedmediator，electrodedesign，protonexchangemembraneandreactordesignaresystematicallysumma-rized.ForthefutureresearchandapplicationofMFCs，fourfeasibleresearchfieldsarepointedout，includingex-plorationofnovelcathodicoxidants，modelsimulationofMFCsprocess，integrationofanaerobicdigestionandMFCs，andperformanceofMFCsassembly.Keywords：microbialfuelcells；exoelectrogenicmicrobe；electrontransportation；substrate；protonexchangemembrane第30卷第12期2010年12月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol.30No.12Dec.，2010微生物燃料电池（MFCs）是一种利用微生物的催化，将储存于有机物的化学能转换为电能的装置。其构造及工作原理示意如图1所示。该装置由阳极区、阴极区和外接负荷组成。阳极区通过在厌氧条件下投加微生物和有机底物以维持反应器的运行及微生物的生长。有机物在阳极被分解成二氧化碳、电子、氢离子。电子由阳极经外部电路传导至阴极；氢离子从阳极区经电池内部传递到阴极区。在阴极区，氧化物（一般为氧气）、电子、氢离子反应生成还原物。整个过程中有机物在阳极区被微生物降解，电子在阴阳两极间的电势差下流动产生电能。衡量MFCs运行效果的主要参数包括：电极电势、功率、功率密度、内阻、库仑效率、能量效率、污染物去除率、污染物负荷率〔1〕。MFCs受到多种因素的影响，主要包括：微生物、底物、电活性物质、电极、反应器的设计、质子交换膜。1微生物微生物是MFCs最为重要的影响因子，它既能催化MFCs的阳极还原反应也能催化阴极氧化反应〔