变废为宝的微生物燃料电池
[ 作者:贾玉红 来源:哈工大(威海)新闻网 浏览:3205 录入时间:2013年1月25日 ]
 

·博士论谈·

能源危机和环境问题是人类社会可持续发展所面临的两个重要问题,如何将二者有机结合起来,在处理污染物的同时开发其中可利用的生物能源,已经成为当前的研究热点。随着新兴技术的发展,以污水为基质利用微生物方法生产的能源趋于多样化,如电能、氢能等。微生物燃料电池能够将污水中的化学能直接转化为电能,具有高效、环保的特点,受到众多科研工作者的青睐。

    利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在,并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。但是,经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的,为这一事物的实际应用提供了可能的机会。微生物燃料电池(Microbial Fuel CellMFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置,在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。其基本原理是:在阳极的厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,其中电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递,并通过外电路传递到阴极形成电流,而质子则通过质子交换膜传递到阴极,氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子与质子结合形成水,从而完成整个反应。

    与现有的其它利用有机物产能的技术相比,微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势:首先它将底物直接转化为电能,具有较高的能量转化效率;其次,不同于现有的生物处理方法,微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作;第三,微生物燃料电池不需要进行废气处理,因为它所产生的废气主要组分是二氧化碳,一般条件下不具有再利用的价值;第四,微生物燃料电池不需要能量输入,因为仅需通风就可以被动地补充阴极气体;第五,在缺乏电力基础设施的局部地区,微生物燃料电池具有广泛应用的潜力,同时也扩大了能源的多样性。

    当前,利用微生物燃料电池技术制成的生化需氧量(Biological oxygen demand,BOD)在线测量仪已经进入市场。而微生物燃料电池所产生的能源主要为处于偏远地区的传感器提供电源,以监测水体的温度、压强、盐度、密度、浊度及微粒状物质等各项参数。一些传感器可以被放置在浮标或海上钻井平台上,以监测污染状况,如赤潮、原油泄漏等。还有些小型传感装置能够监测噪声污染、光透射度和电导率等。虽然这些装置所需的能耗较小,但是均需要长期运行,且所处位置通常为偏远地区。微生物燃料电池具有低碳、环保的特性,且能够长期稳定运行,适宜为这些处于偏远地区的小型装置进行电源补给。对微生物燃料电池进行串联以提高能效,采用电容装置进行储能等相关研究已有开展,对微生物燃料电池所产电能的利用前景广阔。

    作者贾玉红,1981年出生,2011年博士毕业于韩国明知大学环境生命工学院,研究方向为微生物燃料电池、微生物电解池和污水处理。现任教于哈尔滨工业大学(威海)海洋科学与技术学院。曾作为主要参与人参与多个韩国环境部项目,发表SCI论文5篇,其中一篇关于微生物燃料电池阴极脱氮的文章因属业内首创,被其他SCI期刊引用14次。曾多次参加国际水联合会组织的水和污水技术会议及其他国际学术交流活动,并有多篇会议论文发表。

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