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1、MFC篇微生物燃料电池：（Microbial Fuel Cell, MFC）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。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子 和质子，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）在阴极得到电子被还原与 质子结合成水。燃料电池：燃料电池（FuelCell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装 置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像 一个蓄电池
2、，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。电池：电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的 部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要 有电动势、容量、比能量和电阻。燃料：能通过化学或物理反应（包含反应）释放出能量的物质。按其形成可以分为固体燃料、液体燃 料和气体燃料，还有核燃料。氧化还原介体：能加速初级电子供体的电子向最终电子受体传递的化合物。微生物：个体微小，结构简单，通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚的生物，统称为微生物。 微生物包括细菌、病毒、霉菌、酵母菌等。（但有些微生物是肉眼可以看见
3、的，像属于真菌的蘑菇、 灵芝等。）包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活关系密切。涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、食品、医药、工 农业、环保等诸多领域。细菌：广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作拟核区（nuclear region） （或拟核）的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类 群。人们通常所说的即为狭义的细菌，狭义的细菌为原核微生物的一类，是一类形状细短，结构简单， 多以二分裂方式进行繁殖的原核生物，是在自然界分布最广、个体数量最多的有机
4、体，是大自然物质 循环的主要参与者。电能原位：未加负载，直接输出电压缓冲溶液：指磷酸缓冲溶液，用于维持溶液酸碱度（pH:6.8）电子受体：指在电子传递中接受电子的物质和被还原的物质介体种类：向微生物燃料电池中添加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介体，主要是一些染料 类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。这些介体必须满足一定的条件：（1）能穿透进入微生 物的细胞内发生氧化反应；（2）非常容易得电子；（3）在被还原之前能快速离开微生物细胞；（4）在 阳极表面有很好的电化学活性；（5）稳定性好；（6）在阳极电解液中是可溶的；（7）对微生物没有毒 性；（8）不会被微生物代谢掉。第二类是某些微生
5、物自身可以合成介体，如Pseudomonas aeruginosastrainKRPl能够合成绿脓菌素和吩嗪T-甲酰胺等物质，它合成的介体不光自己可以使 用，其它的微生物也可以利用它产生的介体传递电子。电极：在电池中电极一般指与电解质溶液发生氧化还原反应的位置。电极有正负之分，一般正极为阴 极，获得电子，发生还原反应，负极则为阳极，失去电子发生氧化反应。电极可以是金属或非金属， 只要能够与电解质溶液交换电子，即成为电极。中间体：中间体intermediate又称有机中间体。用煤焦油或石油产品为原料以制造染料、农药、医 药、树脂、助剂、增塑剂等的中间产物。因最初用于制造染料，也称染料中间体。超极
6、化：是指跨膜电位处于较原来的参照状态（如静息状态）下的跨膜电位更负（膜电位的绝对值更高） 的状态质子跨膜转运的性能：目前大部分的MFCs研究都使用Nafion质子转换膜（PEMs）。然而，Nafion 膜对于（生物）污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu 等不用使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了MFC的内在电阻，但是，在有阳极电 解液组分存在的情况下，这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长,并且对于阴极的催化剂具有毒性。 而且目前尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。MFC内在电阻：这一参数既
7、依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion具 有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然质子的迁移会显 著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化。IVIFC （支柱性核心技术）：污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好 氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗lkWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消 耗0.5 kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30 kWh。为了解决这一问题， 需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是 Upflow Anaerob
8、ic Sludge Blanket 反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。 UASB 反应器通常以每立方米反应器 每天 1020 kg 化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为 转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为0.51 kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气 时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得 更高的效率。能够转化具有积极市场价值的某种定性底物的电池，譬如葡萄糖，将以具有高能量效率作为首要 目标。虽然 MFCs 的功率密度与诸如甲醇驱动的 FCs 相比是相当低的，但是对于这项技
9、术而言，以底 物安全性为代表的多功能性是它的一个重要优势。全面的看，作为一种参考，以高速率的厌氧消化手段从生物量中重获能量的资本支出约为安装每 百万瓦生产量花费100万瓦。后一数值也同样适用于通过传统的燃烧途径、风力涡轮机以及化学染料 电池等方法利用化石燃料产能。因此这一手段也处于竞争之地。何况目前，微生物燃料电池尚未达到 这一水准的功率输出。负荷速率为每天每立方米反应器0.110 kg的化学需氧量时，可以认为实际上 能达到的功率输出在0.011.25 kW/m3之间。然而，对于好氧的处理过程，观察到的生长速率为消耗 每克有机底物产生0.4克生物量生成，而对于厌氧发酵产生沼气的过程这一速率理论
10、上仅为0.077。 基于 MFC 过程的本质，其产量应该介于这两种代谢类型之间。观察到的以葡萄糖饲喂的 MFCs 的生长 速率在 0.070.22 之间。由于废水处理设备中淤泥处理的花费多达每吨干物质500，这一数量的减少 对于该过程的经济平衡具有重要的提示意义。有效的设计和操作能够创造一种技术平台，能够在多种领域运用而不需要进行本质上的修改。除 了经济方面， MFCs 已经展现了支柱性的核心技术的姿态。它们在低的和适中的温度下能有效的产生 能量并转化一系列的电子供体，甚至即使电子供体仅以低浓度存在。在这些方面现在还没有能够与之 相媲美的其他已知技术。MFC中的阳极电子传递机制:电子向电极的传
11、递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电 子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一 通路的例子有 Geobacter metallireducens 、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila ）以及 Rhodoferax ferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的 原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳 极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递
12、给一个更还原的电极）。MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化 酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红 的过程中扮演了某一角色。细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随 着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加 氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin ）和甲基紫萝碱（viologen ）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是， 细菌也能够自己制
13、造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合 物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanella putrefaciens ） 以及铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa ）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响 着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的 氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。通过
14、第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体但还是需要利用初级代谢中间物 使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coli K12产生氢气，并将浸泡 在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达 1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用 Sulfurospirillum deleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。有机化合物：（organic compound ）主要由氧元素、氢元素、碳元素组成。有机物是生命产生的 物质基础。脂肪、氨基酸、
15、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激素等。生物体内的新陈代谢和 生物的遗传现象，都涉及到有机化合物的转变。此外，许多与人类生活有密切关系的物质，例如 石油、天然气、棉花、染料、化纤、天然和合成药物等，均属有机化合物。电路：由金属导线和电气以及电子部件组成的导电回路， 称其为电路。直流电通过的电路称为“直 流电路”;交流电通过的电路称为“交流电路”。集成性：集成（integration ）就是一些孤立的事物或元素通过某种方式集中在一起，产生联系， 从而构成一个有机整体的过程。能量密度：是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。溶液导电率：电导率是物体传导电流的能力。电导率测量仪的测量原理是将两块
16、平行的极板，放 到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势（通常为正弦波电压），然后测量极板间流过的电 流。根据欧姆定律，电导率（G）是电阻（R）的倒数，是由电压和电流决定的。电导率的基本单位是西门子（S），原来被称为姆欧（ohm）。因为电导池的几何形状影响电 导率值，标准的测量中用单位电导率S/cm来表示，以补偿各种电极尺寸造成的差别。导电率是导体电导率与纯铜电导率的比值，以百分数表示。即纯铜的导电率为100%。T1铜约为98%。原位：源于拉丁语。指在原来的，正常、自然的部位或位置。反应器：反应器（reactor ）实现反应过程的设备，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业 部门。化学反应工程以工业反应器中进行的反应过程为研究对象，运用数学模型方法建立反应器 数学模型，研究反应器传递过程对化学反应的影响以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，以 实现工业反应器的可靠设计和操作控制。直流电
