文 献 综 述

1.1研究背景--能源发展与环境问题

能源是人类赖以生存和社会经济发展的物质基础，是国家发展的强有力的保障，它与人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界”能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺，联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。进入21世纪以来，能源的供给与需求之间的矛盾愈来愈突出。不仅是因为煤、石油、天然气等化石燃料日益减少，而且这些化石燃料的长期使用会造成全球性的环境问题，如臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，严重威胁着人类的健康。

社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。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。为了缓解能源需求的紧张，顺应可持续发展，兼顾经济发展和环境保护，迫切要求人们改变能源消费结构，寻求新型的能源可再生资源。近年来人们纷纷把目光投入到生物质能上，力求寻取一种绿色、高效、清洁的新能源。微生物燃料电池具有可再生和清洁的双重优势，该技术正引起各国科学家的广泛关注，目前各国科研人员正积极地投入研究。

1.2微生物燃料电池

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物氧化产生的化学能直接转化为电能的装置，它以微生物降解有机物从而产生能量的理论为基础，放大有机物的氧化过程，从而将化学能转化为电能，属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术。

从研发至今，微生物燃料电池在多方面得到了应用：利用MFC电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测，人们研制了低浓度污水的BOD生物传感器；利用微生物燃料电池的特殊环境进行未培养菌的富集；利用MFC输出电能的特点进行新型能源的开发；将微生物燃料电池应用到废水处理领域，为微生物燃料电池提供一个新的研究方向，为将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。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，MFC自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，在缓解能源危机和解决环境问题方面有重要的意义，也是环境能源领域的热点研究课题之一。

1.3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），它的工作原理是: 在阳极，水溶液或者污泥中的营养物质在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物，电子通过载体传送到电极表面，随着微生物性质的不同，电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子，也可能是微生物代谢产生的还原性物质，如S^-2和氢气等；电子通过外电路到达阴极，质子经由质子交换膜通过溶液到达阴极；在阴极表面，处于氧化态的物质（如O₂等）与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。这样就使得整个反应过程达到物质的平衡和电荷的平衡，而外部用电器也就获得了燃料电池所提供的电能。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:

阳极反应: C₆H₁₂O₆ 6H₂O→6CO₂ 24H 24e^- (l-l)

E⁰=0.014 V

阴极反应: 60₂ 24H 24e^-→12H₂O (l-2)