微生物燃料电池发电原理与效能第6章课件.ppt
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1、目录目录概述概述1间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池2直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池3微生物燃料电池应用概况微生物燃料电池应用概况6微生物燃料电池材料研究微生物燃料电池材料研究4微生物燃料电池模型研究微生物燃料电池模型研究5概述概述v概述概述 早期的微生物燃料电池主要是将微生物发酵的产物作为电池的燃料进行发电的。最早开展这方面研究的是英国植物学家Potter,他利用酵母和大肠杆菌进行试验,发现利用微生物可以产生电流。 概述概述v原理原理 微生物燃料电池是指在微生物的催化作用下,将化学能转化为电能的装置。 概述概述v分类分类 微生物燃料电池包含阴、阳两个极室,两个极室中间由质子交换膜分隔
2、开来,这种微生物燃料电池称为双室微生物燃料电池,而将无分隔的微生物燃料电池称为单室微生物燃料电池;按电子转移方式的不同,微生物燃料电池又可分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。 间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池v原理原理 间接生物燃料电池的工作原理是以污染物作为底物,在微生物胞外酶的作用下底物被氧化,通过介体的氧化还原过程转变为电子转移到电极。 间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池充当介体应充当介体应具备的条件具备的条件 容易通过细胞壁;容易通过细胞壁; 容易从细胞膜上的电容易从细胞膜上的电子受体获取电子;子受体获取电子; 电极反应快;电极反应快; 溶解度、稳定性等要溶解度、稳定性等
3、要好;好; 对微生物无毒;对微生物无毒; 不能成为微生物的食不能成为微生物的食料。料。 间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池v举例举例 近年来,关于寻找高效微生物催化剂的研究逐步成为微生物燃料电池的研究热点。从理论上讲,各种微生物都有可能作为生物燃料电池的催化剂,经常使用的有大肠杆菌(Escherichia coli)、普通变型杆菌(Proteus vulgaris)等。 间接微生物燃料电池间接微生物燃料电池 1 2 3 4Thurston等研等研究了用普通变究了用普通变型杆菌做生物型杆菌做生物催化剂的微生催化剂的微生物燃料电池的物燃料电池的发电过程,发发电过程,发现只有部分葡现只有部分葡萄糖
4、被完全氧萄糖被完全氧化为化为C02。 Delaney等用等用亚甲基蓝等介亚甲基蓝等介体及大肠杆菌体及大肠杆菌等等7种微生物种微生物测量了介体被测量了介体被微生物还原的微生物还原的速率与细胞的速率与细胞的呼吸速率,发呼吸速率,发现实验明显改现实验明显改善了电池的电善了电池的电流输出曲线。流输出曲线。 Lithgow等比等比较了大肠杆菌较了大肠杆菌与介体硫荃,与介体硫荃,DST-1等组成等组成的生物燃料电的生物燃料电池性能,发现池性能,发现前三种较好,前三种较好,且介体分子中且介体分子中的亲水性基团的亲水性基团越多,电池的越多,电池的输出功率越大。输出功率越大。 Habermann等研究了直接等研
5、究了直接以含酸废水为以含酸废水为原料的微生物原料的微生物燃料电池。此燃料电池。此显示了生物燃显示了生物燃料电池的双重料电池的双重功能。功能。 Tanaka等研究等研究了与光合作用了与光合作用相结合的微生相结合的微生物燃料电池,物燃料电池,研究表明,黑研究表明,黑暗中,细胞分暗中,细胞分解时产生的电解时产生的电子是电流的主子是电流的主要来源,而光要来源,而光照时,水解是照时,水解是主要来源。主要来源。 5直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v直接微生物燃料电池的特点直接微生物燃料电池的特点 可以利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水中的污染物等作为燃料; 可以在常温、
6、常压和接近中性的环境中工作,其维护成本低、操作安全性强; 在应用中可以净化污染物并将其转化为有用的物质,可实现零排放 ; 微生物燃料电池还可以将底物直接转化为电能,具有较高资源利用率; 消除无二次污染,实现低碳经济,环境和经济真正的可持续发展。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v直接微生物燃料电池的电极对微生物活化的影响直接微生物燃料电池的电极对微生物活化的影响 直接微生物燃料电池中,影响电子传递速率的一个很重要的因素是阴极和阳极的电极构成,因此,人们通过改进阴极和阳极材料和改变电极表面积来提高微生物燃料电池的性能。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v直接微生物燃料电池的电极对微生物活
7、化的影响直接微生物燃料电池的电极对微生物活化的影响 阳极:微生物燃料电池的阳极主要是以碳为基材制成的,包括碳纸、碳布、石墨片(棒)、碳毡和泡沫石墨。目前,有研究者研究了各种材料之间的差异及各种阳极特性对电池性能的影响。这些研究多采用两室型微生物燃料电池实验装置。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池通过选取特定的通过选取特定的阳极材料来考察阳极材料来考察孔体积、表面积孔体积、表面积、孔径分布、表、孔径分布、表面粗糙度和表面面粗糙度和表面电位对阳极产电电位对阳极产电性能的影响。性能的影响。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池薄碳纸薄碳纸 厚碳纸厚碳纸 碳毡碳毡 碳毡的内阻最低,碳毡的内阻最低,
8、生物量最高,即最生物量最高,即最大输出功率最高;大输出功率最高;薄碳纸的内阻最高薄碳纸的内阻最高,生物量最低,相,生物量最低,相应的最大输出功率应的最大输出功率最低。最低。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池 考察表面粗糙度对微生物燃料电池产电性能的影响时,将相同的石墨电极分别用2000目和l50目的砂纸打磨,打磨后两电极的表面粒度分别为75m和100m。两电池的E。随时间的变化如图 糙面石墨电极的生物量糙面石墨电极的生物量比光面石墨电极的多,比光面石墨电极的多,粗糙的表面更适合微生粗糙的表面更适合微生物附着生长。物附着生长。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池 为进一步确认阳极材料表面电
9、势对微生物产电的影响,让3个微生物燃料电池在不同的初始电势下连续运行5 d,阳极电势随时间的变化如图 阳极施加正阳极施加正电势会影响电势会影响微生物的附微生物的附着速度着速度直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v质子交换膜质子交换膜 在微生物燃料电池中的阳极室和阴极室(或阴极),通常需要进行物理分隔 ,目前采用的分隔材料有质子膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸等,其中盐桥、玻璃珠和玻璃纤维等 ,质子膜是一种选择透过性膜,具有良好的质子传导性,同时能够阻止阴极室中的氧气向阳极室传递,保证阳极室维持缺氧状态。 直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v直接微生物燃料电池的介体与催化微生物直接微生物燃料电
10、池的介体与催化微生物 不同种类的微生物燃料电池中,生物电极介体和主要催化微生物,以及其所涉及的电子转移途经及电子受体。 1)在大多数研究中微生物燃料阳极是与空气阴极连在一起的。2)电压值通过欧姆定律算出。3)阳极表面积为其几何面积。4)断路测量。5)短路测量。直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池v直接微生物燃料电池的流场与流体动力学直接微生物燃料电池的流场与流体动力学 在直接微生物燃料电池中,阴极室和阳极室构成了两个不同的流场,它们提供了微生物生长、繁殖和催化的场所,同时微生物燃料电池也利用电池的电极来代替微生物原来的天然电子受体,通过电子的不断转移来产生电能。 直接微生物燃料电池直接微生物燃
11、料电池微生物氧化燃料所微生物氧化燃料所生成的电子通过细生成的电子通过细胞膜相关联组分或胞膜相关联组分或者通过氧化还原介者通过氧化还原介体传递给阳极再经体传递给阳极再经过外电路转移到阴过外电路转移到阴极;在阴极区电子极;在阴极区电子将电子受体将电子受体(如氧如氧)还原,然后与透过还原,然后与透过质子交换膜转移过质子交换膜转移过来的质子结合生成来的质子结合生成水水 。直接微生物燃料电池直接微生物燃料电池在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整个过程中,生物催化质点或微生物在流场中个过程中,生物催化质点或微生物在流场中不断的运动,加速电极表面反应质点的快速不断的运
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