利用微生物来产生电能的技术,也在日新月异的发展。英国的植物学家马克•皮特在1910年首先发现有机物中细菌的培养也能够产生电流,于是,他以铂作为电极,放进大肠杆菌或者普通酵母菌的培养液里,成功地制造了世界上第一个细菌电池。从此开始,利用微生物来产生电能的研究拉开了序幕。1984年,美国设计出一种供遨游太空使用的细菌电池,其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌,不过放电率极低,直到本世纪80年代末,英国化学家彼得•彭托在细菌发电研究方面采取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子,电流能持续数月之久,此后,各种细菌电池相继问世。90年代初,我国也开始了生物燃料电池的研究[2]。
从燃料电池的定义来看,生物燃料电池也是燃料电池的一种,但是,生物燃料电池具有其自身的特殊性。它是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,从而获得电能的装置,即将燃料的化学能直接转变为电能[3]。
生物燃料电池与传统的燃料电池在工作原理上面有许多相似的地方,以葡萄糖作为燃料电池的反应主体,葡萄糖分子在阳极失去电子被氧化,溶液中的氧气分子在阴极得到电子被还原,这样便在阴阳两极中形成了电流通路,其阴阳两极的电化学反应式如下:
阳极:C6H1206+6H2O→24H++24e-+6CO2 E0=0.014V (1)
阴极:6O2+24e-+24H+→12H2O E0=1.23V (2)
生物燃料电池不仅具有普通燃料电池效率高,无污染等优点,还有一些独特的优点[2]:
(1)燃料来源广泛,自然界中大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有机物都可以作为燃料;
(2)反应条件温和,可在常温、常压、中性pH值条件下反应,易于操作、控制和文护;
(3)生物相容性好,可为植入人体的人造器官或生物传感器提供能源。
从目前生物燃料电池的研究情况来看,大体被分为两种,一种是微生物燃料电池(MFC),它是微生物产能研究方面的重要课题;另一种叫做酶燃料电池。从催化剂的角度来看,不论是哪一种生物燃料电池,只有少数是在阴、阳两极同时使用生物催化剂的,大多数生物燃料电池只是在阳极使用生物催化剂,阴极则与一般的燃料电池一样,使用空气中的氧气作为氧化剂。所以目前的生物燃料电池的研究工作多数是针对了电池的阳极。
1.2 微生物燃料电池
1.2.1 微生物燃料电池简介
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种以微生物作为催化剂,将有机物氧化并转化为电流的装置。它利用微生物作为氧化底物的催化剂,在常温常压下就可以进行能量转换。在正常的微生物代谢作用下,最初底物(以葡萄糖为例)在没有氧气参与的情况下被氧化,同时电子被具有氧化还原活性的介体吸收[4]。在反应过程中, 有机底物在阳极被微生物氧化并产生电子和质子, 电子通过外电路转移到阴极, 质子透过质子交换膜。电子和质子在阴极与电子受体反应, 在外电路获得电流[5]。由于在降解有机物的同时能够回收清洁能源,实现废物处理和能源回收双赢,已引起了人们的广泛兴趣和极大关注, 并很快成为研究热点[6-8]。目前世界上关于MFC的研究,大多数都集中于产能方向,在由此派生出的一系列研究中,学者们将重点放在如何使得产生的电能最大化,从而对于MFC的底质和微生物提出了比较严格的要求,但是却忽略了微生物底质本身的降解效果。由于微生物种类繁多,因为不仅可以利用单一的碳水化合物,还可以利用复杂的有机物来产生电流,例如海底的沉积污泥[9],生活污水[10]和厌氧污泥[11]
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