生物電化學系統(tǒng)

內容概要

生物電化學系統(tǒng)是一個嶄新且富有挑戰(zhàn)性的領域，在資源和能源回收以及環(huán)境污染修復等方面已經日漸展現(xiàn)出其獨有的特色和吸引力。生物電化學系統(tǒng)包含微生物學、電化學、過程工藝學等復雜過程，盡管不斷有新的發(fā)現(xiàn)和認識被報道，但是迄今為止科學家對生物電化學系統(tǒng)的認知還不甚完整，大量關鍵科學與技術問題還有待解決，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。
《生物電化學系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術應用》的英文原著是國際上首部系統(tǒng)闡述生物電化學系統(tǒng)在污水處理、沉積物產電、產品生物合成以及污染生物修復等方面的原理與應用的權威著作?！渡镫娀瘜W系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術應用》是該領域我國首次引進的專著?！渡镫娀瘜W系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術應用》不僅介紹了生物電化學系統(tǒng)的基本原理、電極材料、電子傳遞、電化學方法、電極微生物、物質氧化與還原等內容，還結合產能、資源回收、污染物降解等方面闡明了生物電化學系統(tǒng)功能化所涉及的反應器構型優(yōu)化、工藝設計與放大、配套設施等問題，力求使讀者對生物電化學系統(tǒng)有深入的了解。全書內容深入淺出，信息量大，理論體系和脈絡完整嚴謹，注重系統(tǒng)性、科學性、前沿性、實踐性和指導性。
《生物電化學系統(tǒng)：從胞外電子傳遞到生物技術應用》可以作為從事環(huán)境科學與工程、環(huán)境微生物學、環(huán)境生物技術等相關專業(yè)研究人員、高校教師及研究生的有價值的參考書或教學參考資料。

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 生物電化學系統(tǒng):面向環(huán)境和工業(yè)生物技術的新方法1.1 燃料電池和生物電學1.2 基本原理1.2.1 微生物與電流1.2.2 生物電化學系統(tǒng)中的微生物群落1.2.3 從微生物代謝到電流產生1.3 測量指標和性能評價1.3.1 電勢測量1.3.2 基于速率的性能評價指標1.3.3 基于效率的性能評價指標1.4 應用1.5 致謝參考文獻第2章 微生物利用生物質產能2.1 生物質:儲存在有機物中的太陽能2.2 生物質的含能量2.3 由生物質生產生物乙醇2.4 厭氧產甲烷消化:廢物穩(wěn)定化與能源化2.4.1 工藝性能2.4.2 產甲烷微生物學2.4.3 厭氧消化中胞外電子傳遞的重要性2.4.4 厭氧消化的應用2.5 生物質產氫2.6 展望參考文獻第3章 酶燃料電池及其與BES/MFC的互補關系3.1 引言3.2 微生物燃料電池和酶燃料電池的相似點3.2.1 生物反應器設計3.2.2 原位生物反應器類型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 結論參考文獻第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 早期的實驗研究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 內源性氧化還原介體4.5.1 已知的由微生物產生的氧化還原介體4.5.2 未確定的內源性氧化還原介體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電池4.6.2 環(huán)境條件4.6.3 序批式實驗4.6.4 培養(yǎng)基配方4.6.5 電化學方法4.6.6 介體轉化4.6.7 介體的化學結構4.7 溶解性氧化還原介體穿梭與微生物代謝的相關性4.8 生物電化學系統(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5.2.1 與胞外電子傳遞相關的膜的局部位點5.2.2 細菌納米導線5.2.3 納米導線的特征5.3 胞外電子傳遞的生態(tài)學意義參考文獻第6章 生物電化學系統(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 采用異源基因進行表達的原因6.4 在大腸桿菌中進行異源基因表達的方法和挑戰(zhàn)6.5 生物技術應用——研制“超級細菌”6.5.1 “超級細菌”在BES中的應用6.5.2 應用于生物修復的“超級細菌”6.6 結束語參考文獻第7章 電化學損失7.1 簡介7.2 各部分的電化學損失7.2.1 活化極化7.2.2 歐姆極化7.2.3 濃差極化(傳質和反應極化)7.2.4 反應物交互擴散——內部電流7.2.5 陰陽兩極間pH分化7.3 方法7.3.1 測量極化曲線的實驗方法7.4 結論參考文獻第8章 分析生物電化學系統(tǒng)的電化學方法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 周轉和非周轉伏安實驗8.2 塔菲爾曲線在生物電化學系統(tǒng)研究中的重要性8.2.1 簡介8.2.2 利用塔菲爾曲線評價微生物燃料電池性能8.3 利用電化學交流阻抗圖譜(EIS)評價生物電化學系統(tǒng)的電化學特性8.3.1 簡介8.3.2 實驗儀器和方法8.3.3 EIS數(shù)據的顯示和分析8.3.4 利用阻抗圖譜測定關鍵電化學參數(shù)8.3.5 微生物燃料電池研究中電化學阻抗圖譜的應用8.4 結論參考文獻第9章 生物電化學系統(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 導線、電阻和負載9.4 微生物電解池的材料9.5 結論和展望參考文獻第10章 影響B(tài)ES性能的技術因素及規(guī)?；钠款i10.1 簡介10.2 BES應用于污水處理時涉及的限制因素10.2.1 占地面積和能量效率10.2.2 電導率的影響10.2.3 緩沖液濃度的影響10.2.4 是否設置膜分隔10.3 放大試驗設計限制因素10.3.1 放大試驗和電壓損失10.3.2 流體力學和力學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 克服設計限制因素10.5.1 限制因素和應對措施參考文獻第11章 有機物氧化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 產甲烷菌對發(fā)酵產物的競爭性利用11.6 發(fā)酵產物的電催化氧化11.7 總結參考文獻第12章 生物電化學系統(tǒng)中硫化物的轉化12.1 簡介12.2 各種形態(tài)硫的特征12.2.1 單質硫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)硫的電化學電勢與pH的關系12.3 現(xiàn)有的硫化物和硫酸鹽去除技術12.3.1 硫化物去除技術12.3.2 硫酸鹽去除技術12.3.3 現(xiàn)有脫硫技術的評價12.4 非生物電化學方法去除水中硫化物12.4.1 簡介12.4.2 硫化物的自發(fā)氧化與產電12.4.3 硫化物氧化的終產物12.4.4 電沉積單質硫的特征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 展望參考文獻第13章 生物電化學系統(tǒng)中的化學催化陰極13.1 簡介13.2 氧還原反應(ORR)13.2.1 簡介13.2.2 氧還原催化劑13.2.3 MFC的陰極構型13.3 析氫反應(HER)13.3.1 簡介13.3.2 析氫催化劑13.3.3 MEC陰極構型13.4 前景參考文獻第14章 反應器中的生物電化學還原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移14.5 限制因素14.6 展望參考文獻第15章 生物電化學系統(tǒng)應用于地下污染修復15.1 土壤和地下蓄水層污染的生物修復15.2 化學與電化學電子傳遞途徑的比較15.2.1 氯代烴15.2.2 無機污染物15.3 面向實地應用的展望、前景和挑戰(zhàn)參考文獻第16章 深海底泥微生物燃料電池的理論、發(fā)展和應用16.1 簡介16.2 底泥氧化還原化學的基本原理16.3 深海底泥微生物燃料電池(BMFC)的設計原理和測試方法16.4 陽極材料和設計16.5 陰極材料與設計16.6 BMFC設計過程中性能和實用性思考16.7 BMFC的微生物生態(tài)學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 滴定和呼吸運動傳感器17.1.4 帶介體的電化學BOD傳感器17.2 無介體的微生物燃料電池17.2.1 電化學活性細菌17.2.2 電化學活性菌群的富集17.2.3 無介體MFC的微生物學17.2.4 MFC的性能優(yōu)化17.3 MFC作為BOD傳感器的設計和性能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 結論17.6 致謝參考文獻第18章 生物電化學系統(tǒng)可轉化利用的原料18.1 簡介18.2 BES利用的確定基質18.2.1 VFA和其他發(fā)酵終產物18.2.2 可溶性碳水化合物、氨基酸和異生物質18.3 BES利用的復雜基質和污水18.3.1 纖維素類給料18.3.2 幾丁質18.3.3 生活污水18.3.4 模擬工業(yè)廢水和實際工業(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 結論18.7 致謝參考文獻第19章 BES與污水和污泥處理系統(tǒng)的整合19.1 引言19.2 BES作為獨立的處理單元或者置于活性污泥處理系統(tǒng)之后對污水進行深度處理19.3 在BES系統(tǒng)之前進行有機廢水的酸化預處理19.4 通過厭氧消化池將污泥穩(wěn)定化后進入BES系統(tǒng)19.5 利用BES陰極產生的堿度控制厭氧消化反應器的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陰極產生用于污水處理的化學品19.8 展望參考文獻第20章 小型適用的BES配套設備20.1 引言20.2 人工共生20.3 微生物燃料電池及其構型20.3.1 外圍設備的定義20.3.2 搭建功率分配器20.3.3 保證連續(xù)自動運行的最低外設要求20.3.4 電池組的復雜性20.3.5 微生物電解池在有電能輸入時將有機物轉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驅動目標反應(如反硝化)參考文獻第21章 生物電化學系統(tǒng)的數(shù)學模擬21.1 簡介21.2 數(shù)學模型21.2.1 模型特征21.2.2 模型特征對模型使用者的影響21.3 生物電化學系統(tǒng)的數(shù)學建模目標21.4 生物電化學系統(tǒng)數(shù)學建模的關鍵元素21.5 現(xiàn)有的生物電化學系統(tǒng)模型21.6 生物電化學系統(tǒng)當今面臨的挑戰(zhàn)21.6.1 生物電極動力學21.6.2 電子傳遞機制21.6.3 微生物活性:生物能量學和動力學21.6.4 物質傳遞——對流、擴散和遷移21.6.5 生物膜與空間模型21.7 生物電化學建模的前景參考文獻第22章 展望:研究方向和生物電化學系統(tǒng)的新型應用22.1 注重應用研究22.2 基礎理論研究22.2.1 認識生物電化學工藝的基本原理22.2.2 從實際出發(fā)的創(chuàng)新性基礎理論研究22.3 應用研究面臨的機遇22.3.1 當前研究的貢獻和不足22.3.2 生物電化學系統(tǒng)是否可以用于污水處理22.3.3 生物電化學系統(tǒng)的最佳功能是產電嗎?22.4 潛在的新型BES的應用22.4.1 陰極還原的新選擇22.4.2 陽極氧化的新選擇22.5 生物電化學系統(tǒng)與實際處理系統(tǒng)的集成22.6 生物電化學系統(tǒng)未來發(fā)展的展望參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   第1章生物電化學系統(tǒng)：面向環(huán)境和工業(yè)生物技術的新方法 1.1燃料電池和生物電學 1839年，WilliamGrove首先意識到在電的作用下將水分解獲得氫氣和氧氣的逆過程也應當是能夠進行的（Grove，1839）?；诖?，他建立了世界上第一個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候，化石燃料的出現(xiàn)大大降低了人們對這項技術的興趣。而70多年以后，Potter最先闡述了微生物能夠通過物質轉化產生還原力進而產生電流的發(fā)生過程（Potter，1911）。Cohen（1931）對細菌產生還原力的能力進行了研究，并指出微生物很小的能量傳遞能力是產生電流的根本限制因素。直到20世紀60年代，微生物的這種產電能力才真正與燃料電池結合起來，微生物燃料電池（MFC）的雛形就此產生（BerkandCanfield，1964；vanHees，1965）。 微生物燃料電池（MFC）可以定義為，微生物充當催化劑，將化學能轉變?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（從整個細胞到酶）來完成氧化反應和／或還原反應。利用酶作催化劑的生物燃料電池將會在本書的第3章介紹。圖1.1反映了過去20年，微生物燃料電池領域中文獻的引用數(shù)量，說明MFC備受學術界的關注。最近十年，關于微生物燃料電池的研究不僅直接與產電和供水有關，還與微生物以及工程方面的許多突破性進展有關。 生物質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，并且潛能蘊含巨大的能源形式，1kg生物質的化學需氧量（COD）相當于4kW·h的能量。當前，能夠用于產能的廢棄生物質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、作物殘渣、蔬菜水果和園圃的廢棄物。其他存在形式的生物質利用程度上更加困難，本書第18章會對液態(tài)和半固態(tài)的生物質原料進行綜述。 近來，研究者發(fā)現(xiàn)MFC系統(tǒng)能夠產生更多形式的能量，并不僅以電能作為唯一產物。如果在MFC兩端施加電壓，在陰極會產生氫氣（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)稱為生物電化學系統(tǒng)（BES）（Rabaeyetal.，2007）。在環(huán)境領域中，BES中的微生物統(tǒng)指系統(tǒng)中可以利用并承擔一定生態(tài)功能的所有微生物。隨著這一研究領域的迅速崛起，出現(xiàn)了大量用來描述此項技術、工藝以及相關微生物的專業(yè)術語。表1.1總結了一些常用的術語。BES多種多樣的應用形式與新產品、新工藝緊密聯(lián)系。這些新產品、新工藝多出現(xiàn)在生物精煉工業(yè)和廢水處理領域。第2章將對這些產品和工藝進行概述。

媒體關注與評論

　　國際上首部系統(tǒng)闡述生物電化學系統(tǒng)在污水處理、沉積物產電、產品生物合成以及污染生物修復等方面原理與應用的權威著作?！　”緯陉U述技術原理的同時，提供了很多正在討論的關鍵問題或者發(fā)展思路，這將為讀者更快地站在技術前沿角度感受其發(fā)展的潛力提供重要的方向?！　　鯋劢?教授

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