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分子筛阳极材料对MFC产电的影响研究文献综述

 2020-04-10 16:01:53  

文 献 综 述

1.1研究背景--能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存和社会经济发展的物质基础,是国家发展的强有力的保障,它与人类的生活息息相关,开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发,对世界经济造成了巨大影响,国际舆论开始关注起世界”能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺,联合国环境署的报告表明,整个地球的环境正在全面恶化,环境问题是一个全球性问题。进入21世纪以来,能源的供给与需求之间的矛盾愈来愈突出。不仅是因为煤、石油、天然气等化石燃料日益减少,而且这些化石燃料的长期使用会造成全球性的环境问题,如臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等,严重威胁着人类的健康。

社会发展至今天,人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁,也热切地期盼着生活空间质量的改善。尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题,日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生,均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系。如果能源和环境问题得不到有效解决,不仅人类社会可持续发展的目标难以实现,而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此,世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系,更加注意环境保护的重要性。为了缓解能源需求的紧张,顺应可持续发展,兼顾经济发展和环境保护,迫切要求人们改变能源消费结构,寻求新型的能源可再生资源。近年来人们纷纷把目光投入到生物质能上,力求寻取一种绿色、高效、清洁的新能源。微生物燃料电池具有可再生和清洁的双重优势,该技术正引起各国科学家的广泛关注,目前各国科研人员正积极地投入研究。

1.2微生物燃料电池

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂,通过其代谢作用将有机物氧化产生的化学能直接转化为电能的装置,它以微生物降解有机物从而产生能量的理论为基础,放大有机物的氧化过程,从而将化学能转化为电能,属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术。

从研发至今,微生物燃料电池在多方面得到了应用:利用MFC电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测,人们研制了低浓度污水的BOD生物传感器;利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集;利用MFC输出电能的特点进行新型能源的开发;将微生物燃料电池应用到废水处理领域,为微生物燃料电池提供一个新的研究方向,为将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。在处理有机废水的同时获得电能,是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径,MFC自身潜在的优点展示了其良好的发展前景,在缓解能源危机和解决环境问题方面有重要的意义,也是环境能源领域的热点研究课题之一。

1.3微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池利用微生物作为反应主体,利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质,引起物理电极的电位偏移,增加了电位差,从而获得电能,即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例(如图1),它的工作原理是: 在阳极,水溶液或者污泥中的营养物质在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物,电子通过载体传送到电极表面,随着微生物性质的不同,电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子,也可能是微生物代谢产生的还原性物质,如S-2和氢气等;电子通过外电路到达阴极,质子经由质子交换膜通过溶液到达阴极;在阴极表面,处于氧化态的物质(如O2等)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。这样就使得整个反应过程达到物质的平衡和电荷的平衡,而外部用电器也就获得了燃料电池所提供的电能。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行,在外电路获得持续的电流。

以葡萄糖为例,其反应式如下:

阳极反应: C6H12O6 6H2O→6CO2 24H 24e- (l-l)

E0=0.014 V

阴极反应: 602 24H 24e-→12H2O (l-2)

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