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    醫學論文

    微生物燃料電池技術及其在廢水處理上的應用

    時間:2021年01月09日 所屬分類:醫學論文 點擊次數:

    摘要:微生物燃料電池技術也被稱之為MFC,該項技術具有經濟、環保以及可再生等優勢,是一種新型能源利用技術,將其應用于廢水處理中具有很好的效果。鑒于此,本文就微生物燃料電池技術及其在廢水處理上的應用展開探討,以期為相關工作起到參考作用。 關鍵詞

      摘要:微生物燃料電池技術也被稱之為MFC,該項技術具有經濟、環保以及可再生等優勢,是一種新型能源利用技術,將其應用于廢水處理中具有很好的效果。鑒于此,本文就微生物燃料電池技術及其在廢水處理上的應用展開探討,以期為相關工作起到參考作用。

      關鍵詞:有機廢水;生物處理法;微生物燃料電池;電極材料;資源化技術

    科技創新與應用

      1.MFC的基本構造及基本原理

      微生物燃料電池技術的主要生物催化劑為微生物,在常溫常壓環境下,利用有機物的能量轉換。微生物燃料電池的主要構造分為陽極室和陰極室,這兩極室的主要隔離物質是質子交換。其中,不同構型的碳基材料為陽極室的常用材料,比如,石墨顆粒以及石墨片等,這種材料具有經濟易得和導電性高的特點,生物相容性強,但是其內阻較大,產電效率低。而陰極室的材料有電解液陰極、生物陰極。通常情況下,單室微生物燃料電池是省略了陰極的,直接將氧氣作為氧化劑,將空氣作為氣相反應室,但是,由于氧氣的反應速率比較慢,就需要額外添加鉑之類的催化劑。質子交換膜是一種陽離子交換膜,主要將其用來隔離陽極室和陰極室,以此來完成質子遷移[1]。

      常用于微生物燃料電池的離子交換膜主要有超濾膜、雙極膜以及新型的膜分割材料等,但是,質子交換膜的阻抗低、導電性高,因此,得到了廣泛地應用。在陽極室的厭氧環境下,由于受到微生物作用的影響,有機物分解并且釋放出了質子和電子。在細胞中電子轉移到了細胞膜,并且由細胞膜又轉移到了陽極表面,再借助外電路傳遞到了陰極,最終形成了電流。通過質子交換膜質子被傳遞到陰極,氧化劑(O2)在陰極得到電子之后被還原,最終和質子結合成了水。

      微生物燃料電池是一種封閉系統設備,陽極室處于厭氧的環境中,為有著電力轉移能力的專性厭氧細菌,比如地桿菌的生長提供了良好的環境。目前為止,已經確定了有著電子傳遞能力的細菌燃料來源主要有海洋底泥、廢水、土壤、淡水底泥以及活性污泥等。

      基質降解的速率決定了微生物燃料電池的運行效率,從理論層面而言,其電動勢主要是借助吉布斯自由能的總體反應,通過計算特定陽極基體和陰極氧化劑的標準還原電位之差而得出。然而,由于受到內部損耗的影響,使得試驗值總是要比理論值低。

      2.微生物燃料電池的電極材料

      2.1陽極材料

      在微生物燃料電池中,性能較高的陽極是其中重要的結構,不僅能夠提供高活性菌株牢固的附著點,同時還能夠減小生物相容性以及電子傳遞阻力。因此,為了能夠有效提升微生物燃料電池的污水處理能力和產電性能,陽極的性能高低發揮著關鍵的作用。此外,還應該充分考慮到材料的成本、性能以及腐蝕能力等,這也是微生物燃料電池陽極材料的一個重要條件[2]。

      2.1.1常用的陽極材料

      通常用到的陽極材料有碳布、碳紙、石墨氈、石磨棒、活性炭顆粒、碳刷、石墨顆粒以及網狀玻璃碳等這些不同的碳材料,其優勢在于適合菌株生長,并且導電性較高,但是,由于隨著材料表面積的增加,電極的輸出電流增大,因此,內阻也隨之增大,所以產電效率相對較低。

      2.1.2納米材料

      陽極納米材料修飾陽極,能夠增大微生物的粘附量、減小電極內阻,以此來顯著提升微生物燃料電池的產電性能。納米材料的使用能夠克服普通碳材料的不足,并且有著獨特的電子傳遞過程,能夠提供胞外電子直接傳遞過程更多的接觸點。

      2.1.3石墨烯陽極材料

      石墨烯作為一種二維碳材料,通過使用多壁碳納米管的縱向拆解和切割,能夠將養護石墨烯的納米帶用電泳沉積的方法銹蝕在以碳紙為基礎的陽極上,并且在胞外電子傳遞的過程中可以將相似的納米導線作用充分發揮出來,從而大大提升電流密度。借助化學氣相沉淀法,能夠銹蝕石墨烯在泡沫鎳上,并且在其中加入入聚苯胺,從而形成三維多孔材料,這種三維石墨烯電導率高、氣凝膠復合陽極生物相容性好,和表面積較大的碳納米材料相比,能夠有效提升胞外電子的傳遞效率,并且其多孔性有利于菌體附著和物質傳遞[3]。

      2.1.4修飾改性陽極

      修飾改性陽極能夠增大表面積,反應活性點也隨之增多,并且還能夠有效改變材料表面的氮氧官能團,不僅加快了陽極和產電微生物之間傳遞電子的速度,同時還提升了電極的電化學性能,從而盡可能降低了電極的過電勢,起到了改善微生物燃料電池產電性能的作用。

      2.2陰極材料

      微生物燃料電池陰極的主要作用是接受電子受體,以此來接受由陽極氧化釋放所得的電子。通常情況下包含空氣陰極、生物陰極以及電解液陰極。氧氣是最好的陰極電子受體,不僅價格低廉、化學還原速率高,并且還不會產生二次污染。但是,通常情況下,氧氣的電化學還原速度比較慢,其催化劑需要在陰極使用Pt,這樣一來才能夠提升其還原速率,將其反應活化能。然而,由于而Pt價格昂貴,因此,這就需要加大對鈷系和鐵系催化劑的研究速度,以此來取代Pt;谖⑸锶剂想姵氐漠a電機理,對于陰極材料而言,其點位越高則對于電力的接受能力越強,越是能夠有效提升產電效率。

      2.3隔膜

      用來隔離陰陽兩極的材料是雙室型膜,通常使用碳紙、玻璃纖維以及鹽橋來作為分割雙室的材料,但是,由于這些材料能夠影響到電池的內阻而逐漸不被使用。如今,應用最為廣泛的是質子膜,其不僅能夠分開陰陽兩極,使陽極產生的質子擴散到陰極,同時還能夠阻止兩極室之間其他物質的傳遞。由于聚合物復合質子和氧化石墨烯質子交換膜具有機械穩定性和導電性能,所以測繪能夠廣泛應用于微生物燃料電池的質子交換膜。

      3.微生物燃料電池在廢水處理中的應用

      3.1生物傳感器監測廢水

      微生物燃料電池主要是借助電化學活性微生物來催化有機底物,并且將電子生物化學系統釋放出來,其重現性好,穩定性和回收率高,并且響應速度快,適合將其用在生物傳感器的開發中。相關學者曾用一個模型對微生物燃料電池電極表面的電子積累進行了一個模型模擬,通過測量這些電子的輸出電壓,可以得知其中的變化環境信號還能夠通過電極表面將其轉化成電脈沖。以微生物燃料電池為基礎的微生物電化學系統可以作為檢測BOD、DO以及可吸收有機碳等的生物傳感器,甚至還有研究將其用在微生物燃料電池一體化上流式厭氧污泥床反應器的監測工作中。

      3.2生態修復

      對于人類健康和生態系統而言,劇毒污染物和持久性化學污染都會對其造成嚴重的威脅,生物燃料電池的使用能夠有效修復污染環境。相關資料表明,很多水生和陸生的生態系統中都含有鉻等有毒的重金屬元素,這些金屬元素會對生態系統和人體健康造成嚴重的危害。將微生物燃料電池技術和活體植物開發有效結合起來,能夠得到一個靈敏有效的鉻修復處理系統,可將這一系統稱之為植物-微生物燃料電池生物電化學系統。研究表明,鉻的初始濃度直接決定著鉻的去除率,其去除率高達99%,并且該系統能夠在長時間內處于十分穩定的狀態,同時還能夠監測六價鉻的存在。

      微生物論文投稿刊物:《科技創新與應用》雜志是黑龍江省論文期刊,雜志2011年哈爾濱市創刊發行,征稿刊發具有一定學術和應用價值的學術文獻和反映各學科、各領域的新成果、新工藝、新產品等方面的論述文章。

      結語

      總而言之,在化學和生物學科交叉研究的前提下,尤其是隨著生物電化學學科的不斷深入,微生物燃料電池技術成為了關鍵的污水資源化技術。在國內外這種可再生的清潔能源技術得到了廣泛的應用,并且為治理污染和節能減排做出了重大的貢獻。

      參考文獻:

      [1]王慧勇,微生物燃料電池技術處理剩余污泥與同步產電研究.河北省,河北工程大學,2013-12-20.

      [2]李方,金春姬,崔燦洙,林鳳洙.微生物燃料電池技術處理含鉻廢水的實驗研究[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2013,43(12):81-86.

      [3]姜秀華.利用微生物電池技術處理廢水[J].科技創新與應用,2013,(18):62-63.

      作者:卞輯

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