生物電化學(xué)系統(tǒng)

內(nèi)容概要

生物電化學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)嶄新且富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，在資源和能源回收以及環(huán)境污染修復(fù)等方面已經(jīng)日漸展現(xiàn)出其獨(dú)有的特色和吸引力。生物電化學(xué)系統(tǒng)包含微生物學(xué)、電化學(xué)、過程工藝學(xué)等復(fù)雜過程，盡管不斷有新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)被報(bào)道，但是迄今為止科學(xué)家對(duì)生物電化學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)知還不甚完整，大量關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題還有待解決，還需要新的理論和方法支撐以開展更為深入系統(tǒng)的研究。
《生物電化學(xué)系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術(shù)應(yīng)用》的英文原著是國際上首部系統(tǒng)闡述生物電化學(xué)系統(tǒng)在污水處理、沉積物產(chǎn)電、產(chǎn)品生物合成以及污染生物修復(fù)等方面的原理與應(yīng)用的權(quán)威著作。《生物電化學(xué)系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術(shù)應(yīng)用》是該領(lǐng)域我國首次引進(jìn)的專著?！渡镫娀瘜W(xué)系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術(shù)應(yīng)用》不僅介紹了生物電化學(xué)系統(tǒng)的基本原理、電極材料、電子傳遞、電化學(xué)方法、電極微生物、物質(zhì)氧化與還原等內(nèi)容，還結(jié)合產(chǎn)能、資源回收、污染物降解等方面闡明了生物電化學(xué)系統(tǒng)功能化所涉及的反應(yīng)器構(gòu)型優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)與放大、配套設(shè)施等問題，力求使讀者對(duì)生物電化學(xué)系統(tǒng)有深入的了解。全書內(nèi)容深入淺出，信息量大，理論體系和脈絡(luò)完整嚴(yán)謹(jǐn)，注重系統(tǒng)性、科學(xué)性、前沿性、實(shí)踐性和指導(dǎo)性。
《生物電化學(xué)系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術(shù)應(yīng)用》可以作為從事環(huán)境科學(xué)與工程、環(huán)境微生物學(xué)、環(huán)境生物技術(shù)等相關(guān)專業(yè)研究人員、高校教師及研究生的有價(jià)值的參考書或教學(xué)參考資料。

作者簡介

Korneel Rabaey
Advanced Water Management Centre，
Gehrmann Building，Research Rd，
The University of Queensland，
Brisbane QLD4072，Australia
Largus T.Angenent
Department of Biological and Environmental Engineering，
Cornell University，
214 Riley-Robb Hall，
Ithaca，NY 14850
Uwe Schr?der
Sustainable Chemistry and Energy Research，
Research Institute of Ecological Chemistry，
Technische Universit?t Braunschweig，
Hagenring 30，38106 Braunscheweig，Germany
Jürg Keller
Advanced Water Management Centre，
Gehrmann Building，Research Rd，
The University of Queensland，
Brisbane QLD 4072，Australia

書籍目錄

譯者前言序編著者第1章 生物電化學(xué)系統(tǒng):面向環(huán)境和工業(yè)生物技術(shù)的新方法1.1 燃料電池和生物電學(xué)1.2 基本原理1.2.1 微生物與電流1.2.2 生物電化學(xué)系統(tǒng)中的微生物群落1.2.3 從微生物代謝到電流產(chǎn)生1.3 測量指標(biāo)和性能評(píng)價(jià)1.3.1 電勢測量1.3.2 基于速率的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1.3.3 基于效率的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)1.4 應(yīng)用1.5 致謝參考文獻(xiàn)第2章 微生物利用生物質(zhì)產(chǎn)能2.1 生物質(zhì):儲(chǔ)存在有機(jī)物中的太陽能2.2 生物質(zhì)的含能量2.3 由生物質(zhì)生產(chǎn)生物乙醇2.4 厭氧產(chǎn)甲烷消化:廢物穩(wěn)定化與能源化2.4.1 工藝性能2.4.2 產(chǎn)甲烷微生物學(xué)2.4.3 厭氧消化中胞外電子傳遞的重要性2.4.4 厭氧消化的應(yīng)用2.5 生物質(zhì)產(chǎn)氫2.6 展望參考文獻(xiàn)第3章 酶燃料電池及其與BES/MFC的互補(bǔ)關(guān)系3.1 引言3.2 微生物燃料電池和酶燃料電池的相似點(diǎn)3.2.1 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)3.2.2 原位生物反應(yīng)器類型3.2.3 陽極電解液中的催化劑3.2.4 催化劑和/或介體固定3.2.5 直接電子傳遞催化劑3.3 MET和DET系統(tǒng)的催化劑來源3.4 微生物燃料電池和酶燃料電池的性質(zhì)比較3.5 酶生物燃料電池中的酶3.6 燃料的深度/完全氧化3.7 結(jié)論參考文獻(xiàn)第4章 基于可溶性化合物的電子穿梭4.1 引言4.2 氧化還原穿梭體4.3 早期的實(shí)驗(yàn)研究4.4 外源性氧化還原介體4.4.1 人造介體4.4.2 地表下環(huán)境中的天然氧化還原介體4.5 內(nèi)源性氧化還原介體4.5.1 已知的由微生物產(chǎn)生的氧化還原介體4.5.2 未確定的內(nèi)源性氧化還原介體4.6 溶解性氧化還原中介體的鑒定方法4.6.1 恒電位儀控制的電化學(xué)電池4.6.2 環(huán)境條件4.6.3 序批式實(shí)驗(yàn)4.6.4 培養(yǎng)基配方4.6.5 電化學(xué)方法4.6.6 介體轉(zhuǎn)化4.6.7 介體的化學(xué)結(jié)構(gòu)4.7 溶解性氧化還原介體穿梭與微生物代謝的相關(guān)性4.8 生物電化學(xué)系統(tǒng)中的溶解性氧化還原穿梭體4.8.1 微生物燃料電池參考文獻(xiàn)第5章 從微生物到電子活性表面的直接電子傳遞5.1 簡介5.2 胞外電子傳遞——微生物聯(lián)結(jié)5.2.1 與胞外電子傳遞相關(guān)的膜的局部位點(diǎn)5.2.2 細(xì)菌納米導(dǎo)線5.2.3 納米導(dǎo)線的特征5.3 胞外電子傳遞的生態(tài)學(xué)意義參考文獻(xiàn)第6章 生物電化學(xué)系統(tǒng)中的基因改造微生物6.1 引言6.2 希瓦菌和硫還原地桿菌的胞外呼吸6.3 采用異源基因進(jìn)行表達(dá)的原因6.4 在大腸桿菌中進(jìn)行異源基因表達(dá)的方法和挑戰(zhàn)6.5 生物技術(shù)應(yīng)用——研制“超級(jí)細(xì)菌”6.5.1 “超級(jí)細(xì)菌”在BES中的應(yīng)用6.5.2 應(yīng)用于生物修復(fù)的“超級(jí)細(xì)菌”6.6 結(jié)束語參考文獻(xiàn)第7章 電化學(xué)損失7.1 簡介7.2 各部分的電化學(xué)損失7.2.1 活化極化7.2.2 歐姆極化7.2.3 濃差極化(傳質(zhì)和反應(yīng)極化)7.2.4 反應(yīng)物交互擴(kuò)散——內(nèi)部電流7.2.5 陰陽兩極間pH分化7.3 方法7.3.1 測量極化曲線的實(shí)驗(yàn)方法7.4 結(jié)論參考文獻(xiàn)第8章 分析生物電化學(xué)系統(tǒng)的電化學(xué)方法8.1 循環(huán)伏安法研究電極上微生物的電子傳遞8.1.1 簡介8.1.2 周轉(zhuǎn)和非周轉(zhuǎn)伏安實(shí)驗(yàn)8.2 塔菲爾曲線在生物電化學(xué)系統(tǒng)研究中的重要性8.2.1 簡介8.2.2 利用塔菲爾曲線評(píng)價(jià)微生物燃料電池性能8.3 利用電化學(xué)交流阻抗圖譜(EIS)評(píng)價(jià)生物電化學(xué)系統(tǒng)的電化學(xué)特性8.3.1 簡介8.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方法8.3.3 EIS數(shù)據(jù)的顯示和分析8.3.4 利用阻抗圖譜測定關(guān)鍵電化學(xué)參數(shù)8.3.5 微生物燃料電池研究中電化學(xué)阻抗圖譜的應(yīng)用8.4 結(jié)論參考文獻(xiàn)第9章 生物電化學(xué)系統(tǒng)中的材料9.1 簡介9.1.1 電極的比表面積和材料成本9.2 MFC中的電極材料9.2.1 陽極材料9.2.2 陰極材料9.2.3 膜9.3 其他材料9.3.1 電流收集器9.3.2 導(dǎo)線、電阻和負(fù)載9.4 微生物電解池的材料9.5 結(jié)論和展望參考文獻(xiàn)第10章 影響B(tài)ES性能的技術(shù)因素及規(guī)?；钠款i10.1 簡介10.2 BES應(yīng)用于污水處理時(shí)涉及的限制因素10.2.1 占地面積和能量效率10.2.2 電導(dǎo)率的影響10.2.3 緩沖液濃度的影響10.2.4 是否設(shè)置膜分隔10.3 放大試驗(yàn)設(shè)計(jì)限制因素10.3.1 放大試驗(yàn)和電壓損失10.3.2 流體力學(xué)和力學(xué)10.4 成本和材料的選擇10.4.1 材料特性和成本10.4.2 陽極10.4.3 陰極10.4.4 膜10.5 克服設(shè)計(jì)限制因素10.5.1 限制因素和應(yīng)對(duì)措施參考文獻(xiàn)第11章 有機(jī)物氧化11.1 引言11.2 呼吸作用下氧化生成二氧化碳11.3 微生物燃料電池陽極的發(fā)酵11.4 發(fā)酵微生物與嗜陽極微生物的共生作用11.5 產(chǎn)甲烷菌對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的競爭性利用11.6 發(fā)酵產(chǎn)物的電催化氧化11.7 總結(jié)參考文獻(xiàn)第12章 生物電化學(xué)系統(tǒng)中硫化物的轉(zhuǎn)化12.1 簡介12.2 各種形態(tài)硫的特征12.2.1 單質(zhì)硫12.2.2 硫化物與多硫化物12.2.3 硫酸鹽和其他氧化態(tài)陰離子12.2.4 水溶液中各種形態(tài)硫的電化學(xué)電勢與pH的關(guān)系12.3 現(xiàn)有的硫化物和硫酸鹽去除技術(shù)12.3.1 硫化物去除技術(shù)12.3.2 硫酸鹽去除技術(shù)12.3.3 現(xiàn)有脫硫技術(shù)的評(píng)價(jià)12.4 非生物電化學(xué)方法去除水中硫化物12.4.1 簡介12.4.2 硫化物的自發(fā)氧化與產(chǎn)電12.4.3 硫化物氧化的終產(chǎn)物12.4.4 電沉積單質(zhì)硫的特征12.5 BES去除水中硫化物12.5.1 簡介12.5.2 硫化物在生物電池中的氧化12.6 展望參考文獻(xiàn)第13章 生物電化學(xué)系統(tǒng)中的化學(xué)催化陰極13.1 簡介13.2 氧還原反應(yīng)(ORR)13.2.1 簡介13.2.2 氧還原催化劑13.2.3 MFC的陰極構(gòu)型13.3 析氫反應(yīng)(HER)13.3.1 簡介13.3.2 析氫催化劑13.3.3 MEC陰極構(gòu)型13.4 前景參考文獻(xiàn)第14章 反應(yīng)器中的生物電化學(xué)還原14.1 簡介14.2 好氧生物陰極14.3 缺氧和厭氧生物陰極14.4 生物陰極上的電子轉(zhuǎn)移14.5 限制因素14.6 展望參考文獻(xiàn)第15章 生物電化學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于地下污染修復(fù)15.1 土壤和地下蓄水層污染的生物修復(fù)15.2 化學(xué)與電化學(xué)電子傳遞途徑的比較15.2.1 氯代烴15.2.2 無機(jī)污染物15.3 面向?qū)嵉貞?yīng)用的展望、前景和挑戰(zhàn)參考文獻(xiàn)第16章 深海底泥微生物燃料電池的理論、發(fā)展和應(yīng)用16.1 簡介16.2 底泥氧化還原化學(xué)的基本原理16.3 深海底泥微生物燃料電池(BMFC)的設(shè)計(jì)原理和測試方法16.4 陽極材料和設(shè)計(jì)16.5 陰極材料與設(shè)計(jì)16.6 BMFC設(shè)計(jì)過程中性能和實(shí)用性思考16.7 BMFC的微生物生態(tài)學(xué)16.8 控制功率輸出的因素16.9 BMFC規(guī)?；铜h(huán)境多變性16.10 BMFC的商業(yè)可行性參考文獻(xiàn)第17章 微生物燃料電池作為生化需氧量和毒性傳感器17.1 引言17.1.1 基于溶解氧探頭的BOD傳感器17.1.2 光度BOD傳感器17.1.3 滴定和呼吸運(yùn)動(dòng)傳感器17.1.4 帶介體的電化學(xué)BOD傳感器17.2 無介體的微生物燃料電池17.2.1 電化學(xué)活性細(xì)菌17.2.2 電化學(xué)活性菌群的富集17.2.3 無介體MFC的微生物學(xué)17.2.4 MFC的性能優(yōu)化17.3 MFC作為BOD傳感器的設(shè)計(jì)和性能17.3.1 MFC測定大于10mg/L的BOD值17.3.2 MFC測定小于10mg/L的BOD值17.3.3 含有氧和硝酸鹽樣品的BOD測定17.4 MFC作為毒性傳感器17.5 結(jié)論17.6 致謝參考文獻(xiàn)第18章 生物電化學(xué)系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化利用的原料18.1 簡介18.2 BES利用的確定基質(zhì)18.2.1 VFA和其他發(fā)酵終產(chǎn)物18.2.2 可溶性碳水化合物、氨基酸和異生物質(zhì)18.3 BES利用的復(fù)雜基質(zhì)和污水18.3.1 纖維素類給料18.3.2 幾丁質(zhì)18.3.3 生活污水18.3.4 模擬工業(yè)廢水和實(shí)際工業(yè)廢水18.4 給料成分的其他方面18.5 污水處理工藝中的給料和BES的整合18.6 結(jié)論18.7 致謝參考文獻(xiàn)第19章 BES與污水和污泥處理系統(tǒng)的整合19.1 引言19.2 BES作為獨(dú)立的處理單元或者置于活性污泥處理系統(tǒng)之后對(duì)污水進(jìn)行深度處理19.3 在BES系統(tǒng)之前進(jìn)行有機(jī)廢水的酸化預(yù)處理19.4 通過厭氧消化池將污泥穩(wěn)定化后進(jìn)入BES系統(tǒng)19.5 利用BES陰極產(chǎn)生的堿度控制厭氧消化反應(yīng)器的pH19.6 利用BES陰極的反硝化作用去除水中的營養(yǎng)成分19.7 BES陰極產(chǎn)生用于污水處理的化學(xué)品19.8 展望參考文獻(xiàn)第20章 小型適用的BES配套設(shè)備20.1 引言20.2 人工共生20.3 微生物燃料電池及其構(gòu)型20.3.1 外圍設(shè)備的定義20.3.2 搭建功率分配器20.3.3 保證連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行的最低外設(shè)要求20.3.4 電池組的復(fù)雜性20.3.5 微生物電解池在有電能輸入時(shí)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為其他形式的能量(氫氣或甲烷)20.3.6 微生物電解池消耗電能同時(shí)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)反應(yīng)(如反硝化)參考文獻(xiàn)第21章 生物電化學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬21.1 簡介21.2 數(shù)學(xué)模型21.2.1 模型特征21.2.2 模型特征對(duì)模型使用者的影響21.3 生物電化學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模目標(biāo)21.4 生物電化學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵元素21.5 現(xiàn)有的生物電化學(xué)系統(tǒng)模型21.6 生物電化學(xué)系統(tǒng)當(dāng)今面臨的挑戰(zhàn)21.6.1 生物電極動(dòng)力學(xué)21.6.2 電子傳遞機(jī)制21.6.3 微生物活性:生物能量學(xué)和動(dòng)力學(xué)21.6.4 物質(zhì)傳遞——對(duì)流、擴(kuò)散和遷移21.6.5 生物膜與空間模型21.7 生物電化學(xué)建模的前景參考文獻(xiàn)第22章 展望:研究方向和生物電化學(xué)系統(tǒng)的新型應(yīng)用22.1 注重應(yīng)用研究22.2 基礎(chǔ)理論研究22.2.1 認(rèn)識(shí)生物電化學(xué)工藝的基本原理22.2.2 從實(shí)際出發(fā)的創(chuàng)新性基礎(chǔ)理論研究22.3 應(yīng)用研究面臨的機(jī)遇22.3.1 當(dāng)前研究的貢獻(xiàn)和不足22.3.2 生物電化學(xué)系統(tǒng)是否可以用于污水處理22.3.3 生物電化學(xué)系統(tǒng)的最佳功能是產(chǎn)電嗎?22.4 潛在的新型BES的應(yīng)用22.4.1 陰極還原的新選擇22.4.2 陽極氧化的新選擇22.5 生物電化學(xué)系統(tǒng)與實(shí)際處理系統(tǒng)的集成22.6 生物電化學(xué)系統(tǒng)未來發(fā)展的展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   第1章生物電化學(xué)系統(tǒng)：面向環(huán)境和工業(yè)生物技術(shù)的新方法 1.1燃料電池和生物電學(xué) 1839年，WilliamGrove首先意識(shí)到在電的作用下將水分解獲得氫氣和氧氣的逆過程也應(yīng)當(dāng)是能夠進(jìn)行的（Grove，1839）?；诖?，他建立了世界上第一個(gè)利用氣體的新型電池，后來命名為燃料電池。然而，就在他的發(fā)明獲得了初步成功的時(shí)候，化石燃料的出現(xiàn)大大降低了人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣。而70多年以后，Potter最先闡述了微生物能夠通過物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生還原力進(jìn)而產(chǎn)生電流的發(fā)生過程（Potter，1911）。Cohen（1931）對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生還原力的能力進(jìn)行了研究，并指出微生物很小的能量傳遞能力是產(chǎn)生電流的根本限制因素。直到20世紀(jì)60年代，微生物的這種產(chǎn)電能力才真正與燃料電池結(jié)合起來，微生物燃料電池（MFC）的雛形就此產(chǎn)生（BerkandCanfield，1964；vanHees，1965）。 微生物燃料電池（MFC）可以定義為，微生物充當(dāng)催化劑，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿南到y(tǒng)。微生物燃料電池是生物燃料電池的一種，相對(duì)于微生物燃料電池來說，生物燃料電池更廣泛地利用了生物催化劑（從整個(gè)細(xì)胞到酶）來完成氧化反應(yīng)和／或還原反應(yīng)。利用酶作催化劑的生物燃料電池將會(huì)在本書的第3章介紹。圖1.1反映了過去20年，微生物燃料電池領(lǐng)域中文獻(xiàn)的引用數(shù)量，說明MFC備受學(xué)術(shù)界的關(guān)注。最近十年，關(guān)于微生物燃料電池的研究不僅直接與產(chǎn)電和供水有關(guān)，還與微生物以及工程方面的許多突破性進(jìn)展有關(guān)。 生物質(zhì)作為一種能源資源日益受到重視，是一類存在和分布十分廣泛，并且潛能蘊(yùn)含巨大的能源形式，1kg生物質(zhì)的化學(xué)需氧量（COD）相當(dāng)于4kW·h的能量。當(dāng)前，能夠用于產(chǎn)能的廢棄生物質(zhì)基本都是水溶液中以溶解物或者懸浮物的形式存在，主要有以下幾種類型：木頭碎片／刨片／木屑、作物殘?jiān)?、蔬菜水果和園圃的廢棄物。其他存在形式的生物質(zhì)利用程度上更加困難，本書第18章會(huì)對(duì)液態(tài)和半固態(tài)的生物質(zhì)原料進(jìn)行綜述。 近來，研究者發(fā)現(xiàn)MFC系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更多形式的能量，并不僅以電能作為唯一產(chǎn)物。如果在MFC兩端施加電壓，在陰極會(huì)產(chǎn)生氫氣（第14章）。這樣的系統(tǒng)就被稱為微生物電解池MEC（Loganetal.，2008）。最近人們將MFC和MEC歸為一類，統(tǒng)稱為生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）（Rabaeyetal.，2007）。在環(huán)境領(lǐng)域中，BES中的微生物統(tǒng)指系統(tǒng)中可以利用并承擔(dān)一定生態(tài)功能的所有微生物。隨著這一研究領(lǐng)域的迅速崛起，出現(xiàn)了大量用來描述此項(xiàng)技術(shù)、工藝以及相關(guān)微生物的專業(yè)術(shù)語。表1.1總結(jié)了一些常用的術(shù)語。BES多種多樣的應(yīng)用形式與新產(chǎn)品、新工藝緊密聯(lián)系。這些新產(chǎn)品、新工藝多出現(xiàn)在生物精煉工業(yè)和廢水處理領(lǐng)域。第2章將對(duì)這些產(chǎn)品和工藝進(jìn)行概述。

媒體關(guān)注與評(píng)論

　　國際上首部系統(tǒng)闡述生物電化學(xué)系統(tǒng)在污水處理、沉積物產(chǎn)電、產(chǎn)品生物合成以及污染生物修復(fù)等方面原理與應(yīng)用的權(quán)威著作。　　本書在闡述技術(shù)原理的同時(shí)，提供了很多正在討論的關(guān)鍵問題或者發(fā)展思路，這將為讀者更快地站在技術(shù)前沿角度感受其發(fā)展的潛力提供重要的方向?！　　鯋劢?教授

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