文 献 综 述

1.1能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是当前国际政治、经济、军事和外交关注的焦点。能源技术推动了经济社会的高速发展，但是它也无时无刻不在改变着我们的生活。随着我国的社会经济的高速发展，我国能源问题与环境问题的矛盾日益凸显出来，主要是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，这些问题的产生，与能源的开采、加工或利用有着密切相关^[1]。如何解决我国能源问题与环境问题之间的矛盾成为了至关重要的问题。为了解决这一刻不容缓的问题，我们不得不开发更加安全、清洁、可靠的新能源，从而在环境和经济中获得平衡，实现环境的可持续发展。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性^[2]。

1.2微生物燃料电池

生物燃料电池（Microbial fuel cell,简称MFC）利用产电微生物将有机污染物中的化学能转化为电能的装置^[3]，在污水处理，生物修复，生物传感器和远程监控等方面具有较大的应用前景。该技术将有机物中的化学能直接转化为电能，在污水的处理与同步产电有巨大潜力。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水^[4]。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一^[5]。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池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，即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理^[3,4]是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上:子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水^[6]。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下:

图1-1 MFC的结构及原理示意图^[3]

Fig.1-1 Schametics of the structure and working principle of MFC

阳极反应:

C₆H₁₂O₆ 6H₂O→6CO₂ 24H 24e^- (l-l)