微生物燃料電池

前言

　　本書(shū)是基于幾年來(lái)我和我的許多同事在實(shí)驗(yàn)室的工作和經(jīng)驗(yàn)整理而成的。但說(shuō)到我在胞外電子傳遞方面獲得知識(shí)的起源，則需要上溯到20年前。1986年，我開(kāi)始和BobArnold以及他的課題組學(xué)習(xí)金屬還原菌相關(guān)知識(shí)，當(dāng)時(shí)我和Bob都還是亞利桑那大學(xué)的助理教授。Bob是固體鐵氧化物還原細(xì)菌領(lǐng)域的早期開(kāi)拓者，我非常感謝Bob和他的學(xué)生（特別是FlynnPicardal）與我共享他們的工作，并多年來(lái)與我一起探索這些令人著迷的細(xì)菌。　　2002年秋，我有幸與HongLiu一起開(kāi)始微生物燃料電池（MFC）的研究工作。HongLiu當(dāng)時(shí)是我課題組的一位博士后，她為我實(shí)驗(yàn)室中MFC研究方向做出了極具創(chuàng)新性和學(xué)術(shù)性的貢獻(xiàn)。在她的努力和激勵(lì)下，這個(gè)課題在我的實(shí)驗(yàn)室得到了快步的發(fā)展，并在短時(shí)間內(nèi)獲得了許多有趣的發(fā)現(xiàn)。從我開(kāi)始MFC工作的這些年以來(lái)，我有幸與許多充滿智慧的研究者一起工作。我特別感謝實(shí)驗(yàn)室中以下學(xué)生和研究者：ShaoanCheng，BookiMin，JungRaeKim，SangEunOh，JennaHeilmannDitzig，YiZuo，DouglasCall，ValerieWatson，RachelWagner，F(xiàn)arzanehRezaei和DefengXing。我自己的研究主要集中在生物物理界面上，因此我需要和熟悉化學(xué)、生物學(xué)和分子生物技術(shù)的專家合作。感謝賓州州立大學(xué)的TomMallouk在燃料電池和電化學(xué)方面的耐心講解，同時(shí)感謝他的學(xué)生RamnaRamnarayanan對(duì)我的幫助。我還要特別感謝我在賓州州立大學(xué)的合作者JayRegan以及他的小組，因?yàn)樗麄兊膶I(yè)技能和廣闊的知識(shí)對(duì)這項(xiàng)研究非常重要，使我們?cè)谫e州州立大學(xué)取得了突出的成績(jī)?！　∨c賓州州立大學(xué)以外的研究小組合作對(duì)于拓展MFC研究領(lǐng)域非常重要。在2003年，我在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)渡過(guò)了一個(gè)假期。在此過(guò)程中，我同IanHead、TomCurtis、CassandroMurano以及KeithScott一起工作，受益匪淺。EileenWu在我的小組中與我們持續(xù)合作了幾個(gè)月。此外，我在與YuriGorby（J.CraigVenter研究院）、KenNealson和OriannaBretschger（南加州大學(xué)），TimVogel和Jean?MichelMonier（法國(guó)里昂中央理工學(xué)校），YujieFeng和AijieWang（中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)），KazuyaWatanabe和ShunichiIichi（日本海洋生物學(xué)研究所），Kyeong?HoLim（　　韓國(guó)公州國(guó)立大學(xué)）以及其他研究者的合作中也有很大收益?！　”緯?shū)是由2006年一篇論文進(jìn)一步延伸而來(lái)的，那篇論文的共同作者有PeterAelterman、BertHamelers、RenéRozendal、UweSchr?der、JurgKeller、StefanoFreguia、WillyVerstraete和KorneelRabaey。關(guān)于電壓和功率的章節(jié)是基于René和Bert的論文以及Korneel和Uwe的貢獻(xiàn)構(gòu)思而成的。我特別感謝René在熱力學(xué)、功率計(jì)算和MEC方面，以及Korneel在MFC方面額外的努力和持續(xù)的討論。本書(shū)中每一章均得到了廣大同行的建議并進(jìn)行了改進(jìn)，在此我還要特別感謝RenéRozendal、IanHead、NathanLewis、AnnemiekterHeijne、KorneelRabaey、KenNealson、UweSchr?der、SongJin、JurgKeller、LennyTender和DennyParker。

內(nèi)容概要

　　《微生物燃料電池》首先對(duì)微生物燃料電池的基本原理、種類和應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。在隨后的章節(jié)中，作者詳細(xì)介紹了與微生物燃料電池密切相關(guān)的產(chǎn)電菌、電壓的產(chǎn)生、能量的產(chǎn)生、微生物燃料電池所需的材料、反應(yīng)器構(gòu)型以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與質(zhì)量傳遞等，并對(duì)微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用效果以及技術(shù)的發(fā)展前景做了詳細(xì)論述?！段⑸锶剂想姵亍凡坏o出了微生物燃料電池系統(tǒng)的模型、設(shè)計(jì)和工藝，還選擇了一些應(yīng)用實(shí)例對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明，使讀者對(duì)微生物燃料電池技術(shù)有更深入的了解。　　英文原著是迄今為止國(guó)際上專門(mén)介紹微生物燃料電池的第一本專著，《微生物燃料電池》是在我國(guó)首次面市的中文版此類書(shū)籍。書(shū)中內(nèi)容深入淺出，通俗易懂，實(shí)用性強(qiáng)，是一本全面介紹微生物燃料電池技術(shù)及其潛在發(fā)展趨勢(shì)的權(quán)威著作，不僅可作為從事相關(guān)研究工作人員的有價(jià)值的參考書(shū)，還可作為相關(guān)領(lǐng)域研究生的教學(xué)參考資料。

書(shū)籍目錄

第1章 概論1.1 能源需求1.2 能源及全球氣候變化的嚴(yán)峻性1.3 生物產(chǎn)電——微生物燃料電池產(chǎn)電工藝1.4 MFC與水資源的可持續(xù)性1.5 用于廢水處理的MFC技術(shù)1.6 MFC的可再生產(chǎn)能1.7 MFC技術(shù)的其他應(yīng)用1.8 參考文獻(xiàn)第2章 胞外產(chǎn)電菌2.1 簡(jiǎn)介2.2 電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制2.2.1 納米導(dǎo)線2.2.2 細(xì)胞-表面的電子傳遞2.2.3 中介體2.3 應(yīng)用已知的產(chǎn)電菌來(lái)進(jìn)行MFC研究2.3.1 產(chǎn)電菌在沒(méi)有外源中介體條件下的產(chǎn)電過(guò)程2.3.2 產(chǎn)生電子中介體的胞外產(chǎn)電菌2.4 群落分析2.4.1 陰極室利用氧氣的MFC2.4.2 除氧氣外的其他電子受體MFC2.4.3 沉積物MFC2.4.4 高溫MFC2.5 將MFC作為工具研究胞外產(chǎn)電菌2.6 參考文獻(xiàn)第3章 電壓的產(chǎn)生3.1 電壓和電流3.2 基于熱力學(xué)關(guān)系的最大電壓3.2.1 陽(yáng)極3.2.2 陰極3.3 陽(yáng)極電位和酶電位3.4 設(shè)定陽(yáng)極電位時(shí)群落與酶的作用3.5 發(fā)酵細(xì)菌的電壓產(chǎn)生3.6 參考文獻(xiàn)第4章 能量的產(chǎn)生4.1 能量的計(jì)算4.2 庫(kù)侖效率和能量效率4.3 極化曲線及功率密度曲線4.3.1 影響電池電壓的因素4.3.2 MFC的內(nèi)阻4.4 內(nèi)阻的測(cè)量4.5 反應(yīng)器的化學(xué)和電化學(xué)分析4.6 參考文獻(xiàn)第5章 MFC材料5.1 尋找廉價(jià)、高效的材料5.2 陽(yáng)極材料5.3 膜和分隔物（化學(xué)物質(zhì)的過(guò)膜傳遞）5.4 陰極材料5.4.1 以碳為基體的陰極5.4.2 其他陰極和陰極電解液5.5 不同材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性5.6 參考文獻(xiàn)第6章 MFC構(gòu)型6.1 總體要求6.2 空氣陰極MFC6.3 使用溶解氧的液體陰極6.4 可溶性陰極電解液或恒電位的兩室反應(yīng)器6.5 管狀填充反應(yīng)器6.6 MFC堆棧6.7 金屬陰極電解液6.8 生物產(chǎn)氫MFC6.9 未來(lái)可放大的MFC結(jié)構(gòu)6.10 參考文獻(xiàn)第7章 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與質(zhì)量傳遞7.1 反應(yīng)動(dòng)力（質(zhì)量傳遞）模型7.2 速率常數(shù)的邊界條件和細(xì)菌特性范圍7.3 單層細(xì)菌的最大功率輸出7.4 傳質(zhì)到生物膜的最大效率7.5 單位體積反應(yīng)堆的傳質(zhì)7.6 參考文獻(xiàn)第8章 微生物電解池8.1 操作原理8.2 MEC系統(tǒng)8.3 氫氣產(chǎn)率8.4 氫氣回收率8.5 能量回收8.6 氫損失8.7 MEC與MFC系統(tǒng)的差異8.8 參考文獻(xiàn)第9章 MFC在廢水處理中的應(yīng)用9.1 污水處理廠的工藝流程9.2 MFC替代生物處理反應(yīng)器9.3 污水處理廠的能量平衡9.4 污泥減量化的意義9.5 脫氮除磷9.6 產(chǎn)電與產(chǎn)甲烷9.7 參考文獻(xiàn)第10章 MFC的其他應(yīng)用10.1 基于MFC技術(shù)的其他應(yīng)用10.2 沉積物MFC10.3 強(qiáng)化的沉積物MFC10.4 使用MFC技術(shù)進(jìn)行生物修復(fù)10.5 參考文獻(xiàn)第11章 制作屬于自己的MFC11.1 寫(xiě)給新入門(mén)的科研工作者和發(fā)明者11.2 選擇接種體和培養(yǎng)基11.3 MFC的材料：電極和膜11.4 便于組裝的MFC構(gòu)型11.5 MEC反應(yīng)器11.6 MFC的運(yùn)行和評(píng)價(jià)11.7 參考文獻(xiàn)第12章 MFC的展望12.1 MFC的昨天和今天12.2 MFC商業(yè)化的挑戰(zhàn)12.3 成就和展望12.4 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　MFC面臨的首要挑戰(zhàn)是確保所用材料和設(shè)施可得到最大的電能和庫(kù)侖效率，而另一挑戰(zhàn)則是降低造價(jià)和設(shè)計(jì)可放大的反應(yīng)器。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)選用如鐵氰化物或高錳酸鹽這些高能陰極電解質(zhì)可提高功率密度，但這些物質(zhì)一方面不可再生利用，另一方面又使成本提高。然而，我們可以從中學(xué)習(xí)如何更好地設(shè)計(jì)MFC或更好地控制微生物群落來(lái)產(chǎn)電。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)使用不可再生的材料對(duì)MFC研究具有一定幫助。最終從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，我們用氧氣作電子受體，并確信所使用的材料是可再生和可放大的。在使用瓶式MFC和碳紙電極的過(guò)程中，電池內(nèi)阻、微生物群落的種類及底物類型均是影響因素，未來(lái)的努力方向應(yīng)集中在增加材料的強(qiáng)度和測(cè)試能夠放大的更加實(shí)用的反應(yīng)器上?！　FC系統(tǒng)主要包括三個(gè)要素：陽(yáng)極、陰極和膜（如果使用）。碳刷電極是效果最好的陽(yáng)極。使用膜或者其他材料隔開(kāi)陽(yáng)極和陰極是對(duì)MFC的一個(gè)極大挑戰(zhàn)，原因在于它們的成本較高并且通常會(huì)增加電池內(nèi)阻。陰極不同于陽(yáng)極的特性在于其需要催化劑。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬和其他非貴金屬化合物在代替貴金屬催化劑方面具有很大潛力?！　『芏嗳嗽谶x擇材料和決定MFC的構(gòu)造時(shí)通常會(huì)考慮生物膜（固定生物膜）反應(yīng)器。因此在這里有必要簡(jiǎn)要介紹一下MFc和生物膜反應(yīng)器在廢水處理上的異同。在滴濾池生物膜反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)中，廢水由于重力作用流過(guò)支撐材料（巖石、普通塑料介質(zhì)或結(jié)構(gòu)塑料介質(zhì)），反應(yīng)器單位表面積通常為100m2／ma反應(yīng)器。更高單位表面積的反應(yīng)器用于更加特殊的使用環(huán)境，例如硝化滴濾池，但一般來(lái)說(shuō)能避免生物膜和水中雜質(zhì)堵塞，同時(shí)允許足夠的空氣通過(guò)反應(yīng)器的表面積即是理想的表面積。塑料填料介質(zhì)需有足夠的強(qiáng)度支撐生物膜和水的重量。MFC不需要為細(xì)菌提供氣流，而是將陰極暴露于空氣中。MFC的生物膜生長(zhǎng)在結(jié)構(gòu)表面，而不是像滴濾池生長(zhǎng)在生物膜一水界面間，這就使得MFC中的生物膜與滴濾池中的生物膜具有不同的特性，堵塞問(wèn)題在MFC中不像在滴濾池中那樣典型。然而，細(xì)菌必須生長(zhǎng)并產(chǎn)生新細(xì)胞，因此小孔材料如泡沫磚因其易被填充堵塞可能不適用。

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