環(huán)境生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用

前言

　　世界范圍的氣候變化、糧食短缺和化石能源危機(jī)，促使人們高度重視化石燃料的來(lái)源和在這些化石能源生產(chǎn)和利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)性燃料的來(lái)源直接關(guān)系到國(guó)家的能源安全，如何解決燃料使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題，也一直激發(fā)著全世界科學(xué)家、工程師和各界人士的創(chuàng)造熱情。目前環(huán)境污染控制技術(shù)很多，其中可以在消除環(huán)境污染的同時(shí)發(fā)電產(chǎn)能的生物燃料電池技術(shù)，被人們認(rèn)為是未來(lái)解決環(huán)境和能源問(wèn)題的重要途徑?！　∧壳?，作為環(huán)境能源技術(shù)之一的環(huán)境生物燃料電池的研究發(fā)展迅速，從世界微生物燃料電池大會(huì)和世界電化學(xué)會(huì)議可以看出，美國(guó)、加拿大、日本和我國(guó)都投入了大量的資金資助其研究并推動(dòng)其應(yīng)用，全球的近百個(gè)研究小組在該領(lǐng)域工作，研究人員將目前最新的生物技術(shù)、納米技術(shù)和信息技術(shù)成果應(yīng)用到生物燃料電池的研究領(lǐng)域，推動(dòng)了環(huán)境污染控制生物燃料電池理論與技術(shù)的發(fā)展。在多年的研究與教學(xué)工作中，作者將在該領(lǐng)域搜集的資料和取得的成果加以整理，同時(shí)，將世界環(huán)境生物燃料電池領(lǐng)域的重要研究成果加以消化吸收，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化和理論化匯集成本書(shū)。環(huán)境生物燃料電池是一種綠色高效的發(fā)電產(chǎn)能裝置，它可以將生物光合作用轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存的生物質(zhì)和氧化劑中的生物化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能或氫能，也可以將環(huán)境有機(jī)污染物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為二氧化碳和電能。環(huán)境生物燃料電池領(lǐng)域是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。縱觀世界上許多與生物燃料電池相關(guān)的研究與實(shí)踐，生物燃料電池很有希望成為能源可持續(xù)利用的重要方法。為了推動(dòng)環(huán)境生物燃料電池理論與技術(shù)的發(fā)展，本書(shū)較為系統(tǒng)地介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染控制生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r和最新研究成果，環(huán)境生物燃料電池的設(shè)計(jì)、制作與組裝技術(shù)，以及利用高濃度污染物發(fā)酵來(lái)解決生物燃料電池原料來(lái)源的問(wèn)題。全書(shū)共分為8章：第1章主要介紹了生物燃料電池的發(fā)展歷程、原理、特點(diǎn)與分類；第2章介紹了生物燃料電池的微生物學(xué)；第3章介紹了生物燃料電池所需要的酶學(xué)、酶的催化活性與評(píng)價(jià)技術(shù)；第4章介紹了生物燃料電池相關(guān)的電化學(xué)與熱力學(xué)問(wèn)題；第5章介紹了生物燃料電池的傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程、多孔電極、電解質(zhì)與膜材料；第6章介紹了微生物燃料電池的理論與技術(shù)；第7章介紹了酶催化燃料電池理論與技術(shù)；第8章介紹了耦合型生物燃料電池以及其在環(huán)境污染控制、污染物綠色資源化利用方面的研究進(jìn)展和展望。

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)地介紹了用于環(huán)境污染控制的生物燃料電池理論及其近年來(lái)的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r和最新研究成果。生物燃料電池是一種綠色高效的發(fā)電產(chǎn)能裝置，它可以將生物光合作用轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存的生物質(zhì)和氧化劑中的生物化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、氫能與各種其他有價(jià)值的化學(xué)品和生物品，也可以將環(huán)境有機(jī)污染物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為二氧化碳和電能。隨著化石燃料來(lái)源的日益短缺，國(guó)家能源安全、經(jīng)濟(jì)性能源及燃料使用過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染控制問(wèn)題，已經(jīng)成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。環(huán)境生物燃料電池技術(shù)可以在消除環(huán)境污染的同時(shí)發(fā)電產(chǎn)能，被認(rèn)為是未來(lái)解決環(huán)境和能源問(wèn)題的重要綠色途徑。    本書(shū)可供環(huán)境科學(xué)與工程、生物燃料電池和生物工程等相關(guān)專業(yè)的教師、研究人員與工程技術(shù)人員參考，也可作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  生物燃料電池的原理與定義  1.2  生物燃料電池的發(fā)展歷程  1.3  生物燃料電池的基本特點(diǎn)與分類  1.4  生物燃料電池在環(huán)境與環(huán)境污染控制中的價(jià)值與應(yīng)用  參考文獻(xiàn)第2章  生物燃料電池的微生物學(xué)  2.1  概述  2.2  與生物燃料電池有關(guān)的微生物分類和研究方法  2.3  電池中常見(jiàn)細(xì)菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理特點(diǎn)  2.4  電池中常見(jiàn)古菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理特點(diǎn)  2.5  電池中常見(jiàn)藻類的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理特點(diǎn)  2.6  微生物的篩選、優(yōu)化與保存  參考文獻(xiàn)第3章  生物燃料電池的酶學(xué)  3.1  酶生物燃料電池的原理與酶學(xué)的研究方法  3.2  酶的分類與命名  3.3  酶的空間結(jié)構(gòu)與催化特性  3.4  酶的合成和DNA的關(guān)系  3.5  酶的制備與表征  3.6  酶催化活性的評(píng)價(jià)研究工具  參考文獻(xiàn)第4章  生物燃料電池的電化學(xué)與熱力學(xué)  4.1  生物燃料電池的電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題  4.2  生物燃料電池與相關(guān)的電極和電極材料  4.3  生物燃料電池中的熱力學(xué)  4.4  生物燃料電池中生化反應(yīng)過(guò)程與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系  4.5  電化學(xué)催化與生物電化學(xué)催化  4.6  流場(chǎng)與雙極板的特性  4.7  生物燃料電池性能評(píng)價(jià)的常用電化學(xué)分析技術(shù)  參考文獻(xiàn)第5章  生物燃料電池中的傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程  5.1  生物燃料電池中的傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程的現(xiàn)代研究方法  5.2  生物燃料電池中的傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程  5.3  強(qiáng)化傳質(zhì)與擴(kuò)散材料的種類與制備  5.4  生物多孔電極、電解質(zhì)與隔膜間的傳質(zhì)擴(kuò)散  5.5  傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)學(xué)模型  參考文獻(xiàn)第6章  微生物燃料電池的理論與技術(shù)  6.1  概述  6.2  直接微生物燃料電池的特點(diǎn)與種類  6.3  直接微生物燃料電池的電極與對(duì)微生物活化的影響  6.4  質(zhì)子交換膜和非膜的直接微生物燃料電池  6.5  直接微生物燃料電池的流場(chǎng)與流體動(dòng)力學(xué)  6.6  直接微生物燃料電池的介體與催化微生物  6.7  直接微生物燃料電池結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與組裝  6.8  直接微生物燃料電池的運(yùn)行與評(píng)價(jià)系統(tǒng)  6.9  微生物燃料電池的模型研究  6.10  微生物燃料電池的材料研究  6.11  微生物燃料電池的應(yīng)用概況  6.12  水污染控制中的微生物燃料電池  6.13  生物質(zhì)垃圾葡萄糖酵解細(xì)菌電池  6.14  纖維素生物燃料電池  6.15  生物質(zhì)垃圾直接乙醇微生物燃料電池  6.16  微生物燃料電池的應(yīng)用前景  參考文獻(xiàn)第7章  生物酶催化燃料電池理論與技術(shù)  7.1  生物酶催化燃料電池的原理與特點(diǎn)  7.2  酶催化燃料電池的研究歷程與主要進(jìn)展  7.3  酶催化燃料電池的陽(yáng)極催化氧化反應(yīng)  7.4  酶催化燃料電池的陰極催化還原反應(yīng)  7.5  酶催化燃料電池催化過(guò)程的蛋白質(zhì)工程  7.6  酶催化燃料電池電子傳遞的電解質(zhì)與電極  7.7  酶催化燃料電池合理化設(shè)計(jì)與集成  7.8  酶催化燃料電池的操作與評(píng)價(jià)  7.9  酶催化燃料電池的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)第8章  耦合型生物燃料電池  8.1  耦合型生物燃料電池的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展  8.2  污染控制過(guò)程的原理和特點(diǎn)  8.3  系統(tǒng)的生物催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)  8.4  過(guò)程燃料產(chǎn)物的分離與純化  8.5  耦合型生物燃料電池的電極、質(zhì)子交換膜和電解質(zhì)的問(wèn)題  8.6  電子傳遞與電極反應(yīng)  8.7  模型的建立與系統(tǒng)優(yōu)化  8.8  系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、組裝、操作與評(píng)價(jià)  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　目前，生物燃料電池在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用還十分有限，人們正在利用分子生物學(xué)技術(shù)，通過(guò)改變酶和微生物的結(jié)構(gòu)與性能，有效地提高生物燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率。以酶為例，以往截面積為100nm2的單層酶，僅可以轉(zhuǎn)換每秒約500個(gè)電子，并產(chǎn)生約80μA／cm2的電能，隨著技術(shù)的進(jìn)步，生物燃料電池的產(chǎn)電能力向可實(shí)際應(yīng)用的10mA／cm2方向發(fā)展。另外，原來(lái)的生物燃料電池的電壓比其他氫氣空氣和甲醇I空氣燃料電池的低，在多數(shù)情況下的應(yīng)用都要求燃料電池的輸出功率在10～100mw／C1T12的范圍內(nèi)，為了達(dá)到這一要求，通過(guò)微孔道化的微生物化學(xué)工程設(shè)計(jì)增加負(fù)載酶催化劑，保持催化劑的應(yīng)用水平。生物燃料電池的電極通過(guò)化學(xué)修飾或分子生物學(xué)工具修飾來(lái)提高效率，使生物燃料電池能夠循環(huán)使用。　　為了增加生物燃料電池在環(huán)境污染控制方面的應(yīng)用效率，改進(jìn)電極和電解質(zhì)界面上的電子轉(zhuǎn)移和生物化學(xué)反應(yīng)效能也是研究的熱點(diǎn)。根據(jù)電能需求情況，以往對(duì)生物燃料電池的尺寸和幾何學(xué)特征考慮得較少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給出腔室空間位置值，還應(yīng)深入研究電極尺寸和關(guān)鍵區(qū)域空間位置的確定方法；有關(guān)多孔隙電極材料的生物親和性的研究也在加強(qiáng)，多孔隙電極材料可以增加電極比表面積，如RVC和碳?xì)蛛姌O材料；人們對(duì)表面尺寸、孔徑大小、重量和電極室關(guān)系的計(jì)算還需要深入，多數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)只能通過(guò)試驗(yàn)取得。在生物燃料電池的使用中酶系統(tǒng)的電極區(qū)域輸出功率和酶使用的周期性有一定關(guān)系，限制了電子傳遞系統(tǒng)，通過(guò)基因操作，可以定向的產(chǎn)生導(dǎo)電酶，來(lái)實(shí)現(xiàn)酶在負(fù)載電極上的高電流輸出。　　在環(huán)境污染控制方面，微生物燃料電池將有較大的發(fā)展空間。在環(huán)境污染控制中使用的微生物燃料電池，體積一般較大，電極與電極室的空間位置的確定需要精確，連接微生物和電極的生物電化學(xué)反應(yīng)還需要強(qiáng)化。微生物燃料電池空間結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，將有助于其電流收集與輸出功率的提高。微生物燃料電池使用的燃料為污染物，針對(duì)性地研究其輸送和轉(zhuǎn)化過(guò)程，消除因?yàn)槲廴疚镓?fù)荷的增加而產(chǎn)生的發(fā)電能力的大幅度變動(dòng)。在實(shí)際的微生物燃料電池應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)電微生物在微生物燃料電池中的生命演替規(guī)律，同樣影響發(fā)電效率，微生物的穩(wěn)定和自我更新，微生物的催化蛋白酶進(jìn)化，對(duì)提高電流輸出功率都有作用。考察24h的微生物燃料電池生物的穩(wěn)定性，可以消除體系中的一些限制。此外，微生物燃料電池在非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)的過(guò)程及生物燃料與微生物代謝的關(guān)系，也影響微生物燃料電池的發(fā)電效率與壽命。生物燃料、產(chǎn)物和它們的分離及在電極表面的黏附，都將影響微生物燃料電池在污染物控制方面的應(yīng)用。

編輯推薦

　　本書(shū)較為系統(tǒng)地介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染控制生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r和最新研究成果，環(huán)境生物燃料電池的設(shè)計(jì)、制作與組裝技術(shù)，以及利用高濃度污染物發(fā)酵來(lái)解決生物燃料電池原料來(lái)源的問(wèn)題。全書(shū)共分為8章：第1章主要介紹了生物燃料電池的發(fā)展歷程、原理、特點(diǎn)與分類；第2章介紹了生物燃料電池的微生物學(xué)；第3章介紹了生物燃料電池所需要的酶學(xué)、酶的催化活性與評(píng)價(jià)技術(shù)；第4章介紹了生物燃料電池相關(guān)的電化學(xué)與熱力學(xué)問(wèn)題；第5章介紹了生物燃料電池的傳質(zhì)與擴(kuò)散過(guò)程、多孔電極、電解質(zhì)與膜材料；第6章介紹了微生物燃料電池的理論與技術(shù)；第7章介紹了酶催化燃料電池理論與技術(shù)；第8章介紹了耦合型生物燃料電池以及其在環(huán)境污染控制、污染物綠色資源化利用方面的研究進(jìn)展和展望。

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