【doc】 利用生物技术发展的新型燃料电池-生物燃料电池

【doc】 利用生物技术发展的新型燃料电池-生物燃料电池 利用生物技术发展的新型燃料电池-生物燃 料电池 经过滤水样的回收率为88%,100%,说明仪器测 定系统正常.从 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 2—15和表2—16的数据比较,可见水 样经过滤后TP值有所降低,所以将水样过滤后进行测 量是不合理的. 3结论及特点 (1)本项研究解决了抗坏血酸溶液难保存的问题. 保存方法是在抗坏血酸溶液中加入适量的EDTA和乙 酸,混匀,可保存3O天以上. (2)采用650nm的激光二极管作为比色光源,仪 器完全能达到行业标准要求,测量数据稳定,可靠. (3)研究发现用K2S2Oa(AR)消解水样测定总磷 (TP)空白偏高,使仪器检测限也偏高,采用重结晶 提纯过的或者纯度高的过硫酸钾消解水样后进行测 量,可使测定效果明显改善,检测限为O.01mg/L,达 到或优于手工方法测定的水平,满足I类地表水和限 制浓度更低的湖库水的在线监测要求. (4)在显色温度为50?时显色时间可大大缩短, 2min就能够显色完全,在满足在线自动监测要求的同 时,也大大减少了测定时间,提高工作效率. (5)总磷在线自动监测仪符合行业标准HJ/T103 — 2003总磷水质自动分析仪技术要求》. (6)实际地表水的测定结果表明,湖库水在O.03, O.07mg/L低浓度测量的相对标准偏差为12.9,7.75%, 可满足洁净水的在线监测要求;河流水总磷含量为 0.30,0.45mg/L时,测量的相对标准偏差为0.91,4.67%, 得到了相当满意的结果. (7)电子,化工,药业等污水测定的相对标准偏 差为1.21,12.17%.原始水样回收率为67,121%,是 由于污水基体复杂,含悬浮物较多,导致水样不均匀 的影响.但经过滤后回收率为88,107%,HJ/T91.2002 “地表水和污水监测技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ”规定应测原始水样,本 项目是为了判断是仪器测量问题,还是水样问题才进 行了过滤清处理. 利用生物技术发展的新型燃料电池一生物燃料电池 王瑁,吴岚军郭少朋 (中国科学院电工研究所北京100080) 摘要介绍了燃料电池的概念和生物燃料电池的原理及其分类.详细介绍了目前还在研发中的生物燃料电池. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了生物燃料电池的应用前景及存在问题. 关键词生物燃料电池;细茵电池;生物技术 中图分类号TM911.45 TheMicrobialBiofuelCellDevelopedbytheBiOtechnOlOgy WangJun,WuLanjun,GuoShaopeng (InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofScience,Beijing100080,China) AbstractThisthesisintroducedtheprinciplesandclassificationofbiofuelcel 1.Andnewdevelopedmicrobialcells havebeendescribed.Relevantnewadvancesinresearchhavebeendiscussed.Withthegreatachievementinbiotechnology, biofuelcellscouldgetgreatdevelopmentinthefuture. KeywordsBiofuelcells;microbialbiofuelcell;biotechnology 1前言 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学 能,直接转化为电能的装置.当源源不断地从外部向燃 料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电.燃料电 池具有以下优点:1.不受卡诺循环限制,能量转换效率 高;2.洁净,无污染,噪声低;3.模块结构,积木性强, 比功率高.既可以集中供电,也适合分散供电.燃料电 池将是21世纪最有竞争力的全新的高效,清洁发电方 式洁净新能源,有绿色能源之称,它的最大特点是燃烧 或使用后不造成环境污染,有利于维持生态平衡. 燃料电池的工作原理和普通电池一样,是将燃料氧 化反应所释放的化学键能直接转化为电能的一种装置. 与一般电池不同的是,在燃料电池中燃料及氧化剂(空气 与氧气)可以连续不断地供给电池,反应产物可以连续不 断地从电池排出,同时连续不断地输出电能和热能.从 这个意义上讲,燃料电池可视为一种特殊地发电装置. 收稿日期:2005—01-26 作者简介:王堵(1975-),助理研究员,研究领域:生命科学仪器. 现代科学仪器200553l 负载 图1传统燃料电池的工作原理 2生物燃料电池 O 生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类.它利用 微生物作为反应主体,利用微生物的代谢产物作为物 理电极的活性物质,引起物理电极的电位偏移,增加 了电位差,从而获得电能的装置,即将燃料的化学能 直接转变为电能. 生物燃料电池的工作原理与传统的燃料电池存在 许多相同之处,以葡萄糖作反应主体的燃料电池为 例,其阴阳极反应如下式所示.葡萄糖分子在阳极失 去电子被氧化,溶液中的氧气分子在阴极得到电子被 还原,这样便在阴阳两极间形成电流通路: 阳极反应cH,,O+6H,06Co2+24e一+24H 阴极反应60,+24e一+24H—型兰塑12H,O 3生物燃料电池的特点 3.1原料广泛 可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机, 无机物质作为燃料,甚至可以利用光合作用或直接利 用污水等…. 3.2操作条件温和 一 般是在常温,常压,接近中性的环境中工作的. 电池维护成本低,安全性强. 3.3生物相容性 利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池 可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源. 4生物燃料电池的分类 按照使用的催化剂形式不同,生物燃料电池可以 分为微生物燃料电池和酶燃料电池【21.只有少数燃料 电池是在阴,阳两极同时使用生物催化剂,大多数生 物燃料电池只在阳极使用生物催化剂,阴极部分与一 般的燃料电池没有什么区别,因为生物燃料电池同样 以空气中的氧气作为氧化剂.所以,在生物燃料电池 领域的研究工作多是针对电池阳极区的. 32 微生物燃料电池是利用整体微生物中的酶作为催 化剂.理论上,各种微生物都有可能作为生物燃料电池 的催化剂,经常使用的有大肠杆菌等.传统的微生物电 池以葡萄糖或蔗糖为燃料,利用介体从细胞代谢过程中 接受电子,并传递到阳极.其中的副反应比较多,微生 物燃料电池的效率较低.而酶燃料电池,是直接利用酶 作为催化剂的. 按照电子转移方式的不同生物燃料电池还可以分 为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池雎.直接生 物燃料电池的燃料在电极上氧化,电子从燃料分子直接 转移到电极上,生物催化剂的作用是催化在电极表面上 的反应;而在间接生物燃料电池中,燃料并不在电极上 反应,而是在电解液中或其它地方反应,电子则由具有 氧化还原活性的介体运载到电极上去.另外,也有人用 生物化学方法生产燃料(如发酵法生产氢,乙醇等),再 用此燃料供应给普通的燃料电池.这种系统有时也被 称为间接生物燃料电池.生物燃料电池在理论上具有 很高的能量转化效率,远高于其它种类的电池. 5几种典型的生物燃料电池 5.1产物生物燃料电池 利用微生物发酵并分泌出具有电极活性的代谢物 来构成不同的电极电位,并提供电能.氢氧(空气)型电 池是典型的产物生物燃料电池,其工作原理:将大肠杆 菌放入电极的阴极室,反应温度为37度,可获得0.7伏电 压,电流密度为4.7微安/平方厘米.氢氧(空气)型电池 的原理示意图如图2所示. 阳 橡皮塞 离子 交换膜 大肠杆函悬浮授 图2氢氧(空气)型电池结构图 氢氧(空气)型电池受菌体生理生化特性的影响较 大,在菌体生长处于对数生长期时,菌体内氢化酶的活 性最大,产氢量最高,电流值也最大,随后电流值随菌体 的产氢量减少而降低. 5.2去极化生物燃料电池 利用分别固定在电极上的微生物,酶,组织,细 胞及抗体等生物组分,参与电化学反应并提供电压和电 能.其中采用固定化技术把微生物等固定在电极上,可 以较长时间反复使用微生物的生理功能,提高燃料电池 ModemScienticInstruments2OO55 的效率.固定化大肠杆菌电池示意图如图3所示. 阳 极 图3固定化大肠杆菌电池示意图 6生物燃料电池的发展 (碳极) 近期出现了一些形式新颖的微生物燃料电池,其中 具有代表性的是利用光合作用和含酸废水产生电能. Tanaka等研究人员将能够产生光合作用的藻类用 于生物燃料电池,展示了光燃料电池新种类的可行性, 他们的电池使用的催化剂是蓝绿藻.通过试验前后细 胞内糖原质量的变化,他们发现在无光照条件时,细胞 内部糖原的质量在试验中减少了;同时还发现在有光 照时,电池的输出电流比黑暗时有明显的增加[31. Karube和Suzuki用可以进行光合作用的微生物 Rhodospirillumrubrum发酵产生氢,再提供给燃料电池. 除光能的利用外,更引人注目的是他们用的培养液是 含有乙酸,丁酸等有机酸的污水.发酵产生氢气的速 率为19,31ml/min,燃料电池输出电压为0.2,0.35V,并 可以在0.5,0.6A的电流强度下连续工作6小时[4】. Habermann和Pommer进行了直接以含酸废水为原 料的燃料电池实验.他们使用了一种可还原硫酸根离 子的微生物Desulfovibriodesulfuricans,并制成了管状 微生物燃料电池.在对两种污水的实验中,降解率达 到35%,75%.此工作显示了生物燃料电池的双重功 能,即一方面可以处理污水,另一个方面还可以利用 污水中的有害废物作为原料发电[5】. 7生物燃料电池利用领域和价值 (1)由生物转化成效率高,价廉,长效的电能系统. (2)利用废液,废物作燃料,用微生物电池净化环 境,而且产生电能. (3)以人的体液为燃料,做成体内填埋型的驱动电 源一一微生物电池成为新型的人体起搏器. (4)从转化能量的微生物电池可以发展到应用转换 信息的微生物电池,作为介体微生物传感器. 8问题与展望 生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展 前景看好,但要作为电源应用于实际生产与生活还比较 现代科学仪器20055 遥远.其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际 要求.质子交换膜燃料电池的功率密度可达3W/cm, 而生物燃料电池的功率密度还达不到1mW/cm. 制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电 子传递过程.电子转移速率由电势差,重组能和电子 供体与受体之间的距离决定.理论和实验均表明,随传 递距离的增加,电子转移速率呈指数下降的趋势.在这 种情况下,即使将这些酶固定在电极的表面上,仅仅是 酶分子蛋白质外壳的厚度就足以对电子由活性中心到 电极的直接传递过程产生屏蔽作用.微生物细胞的体 积要比酶分子大的多,所以在微生物燃料电池中,屏蔽 作用就更加明显了[61. 实现直接电子传递的方法主要有三种. 第一种方法是对微生物酶分子的蛋白质外壳进行 修饰,使它能够允许电子通过,然后再把修饰后的酶固 定到电极上. 第二种方法是在比微生物细胞更小的尺度上,直接 用导电聚合物固定酶.导电聚合物就象是导线一样,穿 过蛋白质外壳,将电极延伸至酶分子活性中心附近,大 大缩短电子传递的距离,从而实现电子的直接传递. 第三种是通过在电极表面进行贵金属纳米粒子, 以及碳纳米管等物质的修饰,利用纳米粒子的尺寸效 应,表面效应等奇妙的特性来实现直接的,快速的电 子传递. 尽管生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥远,燃 料电池研究从上世纪9O年代初又成为热门领域,现在 仍在升温阶段.几种燃料电池已经处在商业化的前 夜.另外,近2O年来生物技术的巨大发展,为生物燃料 电池研究提供了巨大的物质,知识和技术储备.所以, 生物燃料电池有望在不远的将来取得重要进展. 参考文献 [1】韩保祥,毕可万,采用葡萄糖氧化酶的生物燃料电池的研究,生物 工程 ,1992,8(2203—206 【2】MilazzoG,MartinBlank.生物电化学一生物氧化还原反应,肖科译. 天 津;天津科学技术出版社,1990:335 【3】 KreysaG,SchenckK,VuofilehtoK.etaLBielectrochemicalhydrogenpro? ductionInt,JHydrogenEnergy,1994,19(8):673-676 【4】G.TayhasRPalmom,Geo~eMWhitesides,Micr~ialandenzymaticbio fuelcells,AmChemSocSympSer,1994,(566):271-290 【5】 SwadesKChaudhuri&DerekRLovely.Electricitygenerationbydirect oxidationofglucoseinmediatodessmicrobialfuelcells,Naturebiotech- nologyOctober,2003,1229-1232 【6】Bond,D.R.&Lovely,D.R.ElectricityproductionbyGeobacter sulfurreducensattachedtoelectrodes.App1.Environ.Microbio1.69.2003, 】548,1555 33