微生物燃料电池MFC离污水处理实战有多远？

Double Z · 发表于 2016-8-23 16:03:05

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　　今天看老人版主发了一大堆微生物燃料电池的论文，突然就想这东西距离污水处理实战会有多远？什么时候才能用污水发的电给手机充电，甚至给特斯拉充电？目前相关研究的规模说实话都小的可怜，需要多长时间才能成熟并应用呢？欢迎大家讨论。老规矩，我先发图暖场，让你们感受一下现在研究的规模。末尾还有Bruce E Logan（业界大牛）的专著和另外一本最新的专著可供下载，哈哈。

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PS：2016-08-30 微生物燃料电池原理及关键问题
有一类细菌，可以氧化水中的有机物，并能够把电子传递到细胞外（传递到电极上），如果能利用这种电子传递过程，也就是把这些电子先转移到阳极再通过外电路转移到阴极上，就可以构成一种可以用来发电的生物燃料电池。这类细菌就叫做产电菌，这种电池，就叫做微生物燃料电池（MFC）。不仅如此，由于这个过程可以降解环境中的有机物，于是也成为处理污水的一种理想手段。这么小的细菌，竟然能够同时肩负起发电工人和环境保洁工人的重任？是的，它们真的可以把污水中的废物，甚至是有毒害的有机物质中蕴藏的化学能，转化为我们无时无刻不需要的电能，同时让我们的环境更加洁净。

A. 微生物燃料电池的工作原理：阳极有机物氧化，阴极氧气还原。

微生物燃料电池利用阳极产电微生物，将污水中有机物中的化学能转化为电能。在此过程中，附着在阳极的产电菌将有机物氧化，在阳极室产生电子和质子，CO2和水，同时阳极微生物获得ATP用于自身生长繁殖。质子穿过分隔材料/电解质进入阴极室，产生的电子通过外电路流入阴极，在阴极与电子受体氧气结合，氧气还原为水，形成一个完整的电流循环，实现在分解污水中有机污染物的同时产生电能。

B. 与传统污水处理的比较：

在以活性污泥法为代表的污水好氧生物处理过程中，微生物降解、转化污染物，并通过氧化有机物获取其中的能量，维持自身的生长代谢，有机碳一部分转化为CO2释放到大气中，另一部分通过同化作用转化为剩余污泥。在这一过程中，蕴含在污水中的能量并未被利用，一部分以热量形式散失，一部分转化为剩余污泥。可以采用厌氧生物处理技术将剩余污泥转化为能量，但国内尚未普及。另一方面，微生物氧化降解有机物的过程所需氧气由曝气供给，而曝气又需要消耗能量，曝气能耗约占污水处理厂总电耗的50%。因此，传统的好氧生物处理工艺并未利用污水中的能量，而是“以能耗能”，以曝气能消耗了有机物中的化学能。

C. 空气阴极：

空气阴极结构包括气体扩散层，催化层和集电层等。气体扩散层，面向空气一侧，氧气可以通过扩散作用，进入到催化层，进而实现还原反应，同时，气体扩散层还起到承压防水的作用，即电解液不会渗出；催化层则面向溶液一侧，再催化层，氧气与质子、电子反应生成水。空气阴极用于微生物燃料电池，具有以下优势：

（1）不需主动曝气，与先前介绍的双室型MFC相比，极大地降低了能耗、建设与运行成本；

（2）阴极反应物为氧气，其扩散的驱动力来自于空气中21%的氧气分压，而不是曝气阴极的饱和溶解氧浓度（常温常压下8~9 mg/L），空气阴极的氧气还原反应速率更高，与双室型MFC曝气阴极相比，阴极性能和产电功率均有显著提高；

（3）阴极产物是水，不需要物质再生循环，清洁无污染。

催化层，是空气阴极的关键部分，经典空气阴极，使用Pt/C为催化剂，使用Nafion，或者PTFE等高分子为粘合剂，使用涂布或者压片的方式制备。此前报道的空气阴极催化层，均使用粘合剂，降低了催化层电导率。此前基于石墨烯催化剂空气阴极的报道，也都使用粘合剂。这篇工作，首次实现了无粘合剂催化层的空气阴极制备，且催化剂石墨烯的负载量极低（负载在镍网上的若干层石墨烯），估算下来仅为之前研究中报道的使用粘合剂负载石墨烯粉体剂量的1%-10%左右，但可以达到相似或者更高的微生物燃料电池产电功率。