微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用

微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用

卞辑

东北石油大学， 黑龙江省大庆市， 163318

摘要：微生物燃料电池技术也被称之为MFC，该项技术具有经济、环保以及可再生等优势，是一种新型能源利用技术，将其应用于废水处理中具有很好的效果。鉴于此，本文就微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：有机废水；生物处理法；微生物燃料电池；电极材料；资源化技术

1.MFC的基本构造及基本原理

微生物燃料电池技术的主要生物催化剂为微生物，在常温常压环境下，利用有机物的能量转换。微生物燃料电池的主要构造分为阳极室和阴极室，这两极室的主要隔离物质是质子交换。其中，不同构型的碳基材料为阳极室的常用材料，比如，石墨颗粒以及石墨片等，这种材料具有经济易得和导电性高的特点，生物相容性强，但是其内阻较大，产电效率低。而阴极室的材料有电解液阴极、生物阴极。通常情况下，单室微生物燃料电池是省略了阴极的，直接将氧气作为氧化剂，将空气作为气相反应室，但是，由于氧气的反应速率比较慢，就需要额外添加铂之类的催化剂。质子交换膜是一种阳离子交换膜，主要将其用来隔离阳极室和阴极室，以此来完成质子迁移^[1]。

常用于微生物燃料电池的离子交换膜主要有超滤膜、双极膜以及新型的膜分割材料等，但是，质子交换膜的阻抗低、导电性高，因此，得到了广泛地应用。在阳极室的厌氧环境下，由于受到微生物作用的影响，有机物分解并且释放出了质子和电子。在细胞中电子转移到了细胞膜，并且由细胞膜又转移到了阳极表面，再借助外电路传递到了阴极，最终形成了电流。通过质子交换膜质子被传递到阴极，氧化剂（O₂）在阴极得到电子之后被还原，最终和质子结合成了水。

微生物燃料电池是一种封闭系统设备，阳极室处于厌氧的环境中，为有着电力转移能力的专性厌氧细菌，比如地杆菌的生长提供了良好的环境。目前为止，已经确定了有着电子传递能力的细菌燃料来源主要有海洋底泥、废水、土壤、淡水底泥以及活性污泥等。

基质降解的速率决定了微生物燃料电池的运行效率，从理论层面而言，其电动势主要是借助吉布斯自由能的总体反应，通过计算特定阳极基体和阴极氧化剂的标准还原电位之差而得出。然而，由于受到内部损耗的影响，使得试验值总是要比理论值低。

2.微生物燃料电池的电极材料

2.1阳极材料

在微生物燃料电池中，性能较高的阳极是其中重要的结构，不仅能够提供高活性菌株牢固的附着点，同时还能够减小生物相容性以及电子传递阻力。因此，为了能够有效提升微生物燃料电池的污水处理能力和产电性能，阳极的性能高低发挥着关键的作用。此外，还应该充分考虑到材料的成本、性能以及腐蚀能力等，这也是微生物燃料电池阳极材料的一个重要条件^[2]。

2.1.1常用的阳极材料

通常用到的阳极材料有碳布、碳纸、石墨毡、石磨棒、活性炭颗粒、碳刷、石墨颗粒以及网状玻璃碳等这些不同的碳材料，其优势在于适合菌株生长，并且导电性较高，但是，由于随着材料表面积的增加，电极的输出电流增大，因此，内阻也随之增大，所以产电效率相对较低。

2.1.2纳米材料

阳极纳米材料修饰阳极，能够增大微生物的粘附量、减小电极内阻，以此来显著提升微生物燃料电池的产电性能。纳米材料的使用能够克服普通碳材料的不足，并且有着独特的电子传递过程，能够提供胞外电子直接传递过程更多的接触点。

2.1.3石墨烯阳极材料

石墨烯作为一种二维碳材料，通过使用多壁碳纳米管的纵向拆解和切割，能够将养护石墨烯的纳米带用电泳沉积的方法锈蚀在以碳纸为基础的阳极上，并且在胞外电子传递的过程中可以将相似的纳米导线作用充分发挥出来，从而大大提升电流密度。借助化学气相沉淀法，能够锈蚀石墨烯在泡沫镍上，并且在其中加入入聚苯胺，从而形成三维多孔材料，这种三维石墨烯电导率高、气凝胶复合阳极生物相容性好，和表面积较大的碳纳米材料相比，能够有效提升胞外电子的传递效率，并且其多孔性有利于菌体附着和物质传递^[3]。

2.1.4修饰改性阳极

修饰改性阳极能够增大表面积，反应活性点也随之增多，并且还能够有效改变材料表面的氮氧官能团，不仅加快了阳极和产电微生物之间传递电子的速度，同时还提升了电极的电化学性能，从而尽可能降低了电极的过电势，起到了改善微生物燃料电池产电性能的作用。

2.2阴极材料

微生物燃料电池阴极的主要作用是接受电子受体，以此来接受由阳极氧化释放所得的电子。通常情况下包含空气阴极、生物阴极以及电解液阴极。氧气是最好的阴极电子受体，不仅价格低廉、化学还原速率高，并且还不会产生二次污染。但是，通常情况下，氧气的电化学还原速度比较慢，其催化剂需要在阴极使用Pt，这样一来才能够提升其还原速率，将其反应活化能。然而，由于而Pt价格昂贵，因此，这就需要加大对钴系和铁系催化剂的研究速度，以此来取代Pt。基于微生物燃料电池的产电机理，对于阴极材料而言，其点位越高则对于电力的接受能力越强，越是能够有效提升产电效率。

2.3隔膜

用来隔离阴阳两极的材料是双室型膜，通常使用碳纸、玻璃纤维以及盐桥来作为分割双室的材料，但是，由于这些材料能够影响到电池的内阻而逐渐不被使用。如今，应用最为广泛的是质子膜，其不仅能够分开阴阳两极，使阳极产生的质子扩散到阴极，同时还能够阻止两极室之间其他物质的传递。由于聚合物复合质子和氧化石墨烯质子交换膜具有机械稳定性和导电性能，所以测绘能够广泛应用于微生物燃料电池的质子交换膜。

3.微生物燃料电池在废水处理中的应用

3.1生物传感器监测废水

微生物燃料电池主要是借助电化学活性微生物来催化有机底物，并且将电子生物化学系统释放出来，其重现性好，稳定性和回收率高，并且响应速度快，适合将其用在生物传感器的开发中。相关学者曾用一个模型对微生物燃料电池电极表面的电子积累进行了一个模型模拟，通过测量这些电子的输出电压，可以得知其中的变化环境信号还能够通过电极表面将其转化成电脉冲。以微生物燃料电池为基础的微生物电化学系统可以作为检测BOD、DO以及可吸收有机碳等的生物传感器，甚至还有研究将其用在微生物燃料电池一体化上流式厌氧污泥床反应器的监测工作中。

3.2生态修复

对于人类健康和生态系统而言，剧毒污染物和持久性化学污染都会对其造成严重的威胁，生物燃料电池的使用能够有效修复污染环境。相关资料表明，很多水生和陆生的生态系统中都含有铬等有毒的重金属元素，这些金属元素会对生态系统和人体健康造成严重的危害。将微生物燃料电池技术和活体植物开发有效结合起来，能够得到一个灵敏有效的铬修复处理系统，可将这一系统称之为植物-微生物燃料电池生物电化学系统。研究表明，铬的初始浓度直接决定着铬的去除率，其去除率高达99%，并且该系统能够在长时间内处于十分稳定的状态，同时还能够监测六价铬的存在。

结语

总而言之，在化学和生物学科交叉研究的前提下，尤其是随着生物电化学学科的不断深入，微生物燃料电池技术成为了关键的污水资源化技术。在国内外这种可再生的清洁能源技术得到了广泛的应用，并且为治理污染和节能减排做出了重大的贡献。

参考文献：

[1]王慧勇，微生物燃料电池技术处理剩余污泥与同步产电研究.河北省，河北工程大学，2013-12-20.

[2]李方，金春姬，崔灿洙，林凤洙.微生物燃料电池技术处理含铬废水的实验研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版)，2013，43(12):81-86.

[3]姜秀华.利用微生物电池技术处理废水[J].科技创新与应用，2013，(18):62-63.