5 1 替代能源
生物质制氢被认为是未来氢燃料电池的原料来源,而ＭＦＣ与生物质制氢的共同特点是均以生物质作为原料,但在生物质制氢过程中,葡萄糖等生物质中还有相当部分的氢未被利用,而且氢气还只是从生物质获取能源的中间产品,而ＭＦＣ则可以直接将葡萄糖中的氢全部消耗并转化成Ｈ2Ｏ,生物质转化成能源的效率较高。正是由于ＭＦＣ能够直接将生物质转化成电能,因此Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ展望了用食物直接喂养机器人的可能性[24]。
迄今为止,虽然已报道的ＭＦＣ中双池型电池的输出功率密度最大[25],但由于双池型ＭＦＣ的阴极为铁氰化钾溶液,需要连续曝气,操作复杂,因此,近几年直接利用空气作为阴极的单池型燃料电池令人关注。2001年,Ｐａｒｋ等[1]首先报道了用掺Ｆｅ3+的石墨为阴极、掺Ｍｎ4+的石墨为阳极、陶瓷膜为质子交换膜、活性污泥接种的单池型ＭＦＣ的性能,该电池的输出功率密度达到788ｍＷ/ｍ2。自2003年起,Ｌｉｕ等[2]和Ｂｏｏｋｉ等[3]报道了以载铂碳布为阴极材料、碳纸为阳极材料的单池型ＭＦＣ的性能。通过调整电池结构和各种操作参数,使电池的输出功率密度达1330ｍＷ/ｍ2。
由以上结果可见,ＭＦＣ作为新型能源开发的主要问题在于需进一步提高电池的输出功率密度及电极电子的传递效率。相信经过深入研究,ＭＦＣ为一些只需要较小电量就能运行的遥控装置提供能源是可能的。
5 2 微生物传感器的开发
ＢＯＤ5被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量,但由于传统的ＢＯＤ测定方法需要5天的时间,因此,出现了大量关于ＢＯＤ传感器的研究,其中以ＭＦＣ工作原理为基础的ＢＯＤ传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用ＭＦＣ工作原理开发新型ＢＯＤ传感器的关键在于:①电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系;②电池电流对污水浓度的响应速度较快;③有较好的重复性。
目前,正在研究的ＭＦＣ型传感器全部为有质子交换膜的双池型结构,电池的阴极多为溶氧的磷酸盐缓冲溶液,阳极为待测的水溶液。Ｋｉｍ等[26]在用自行设计的ＢＯＤ传感器分批测定溶液ＢＯＤ的浓度时发现,电池转移电荷与污水浓度之间呈明显的线性关系,相关系数达到0 99,标准偏差为3%～12%;电池在低浓度时响应时间少于30ｍｉｎ;连续测定ＢＯＤ质量浓度小于100ｍｇ/Ｌ的溶液时[27],电流与浓度呈线性关系,3次电流测定的差值小于10%;且当ＭＦＣ的阳极处于“饥饿”状态后喂养新鲜污水,ＭＦＣ的电流能够恢复;当电池中的污水浓度发生变化时,电流需要滞后1ｈ达到稳定。Ｍｏｏｎ等[28]通过改变污水流动速度和电池阳极容积的方式,使电流响应时间缩短到了5ｍｉｎ。
考虑到实际污水中存在硝酸盐和硫酸盐等具有高氧化还原电势的电子受体,它们会降低ＭＦＣ的电流响应信号,Ｃｈａｎｇ等[29]尝试在阳极池中加入叠氮化物和氰化物等呼吸抑制剂,达到了消除硝酸盐和硫酸盐影响的效果,结果显示,通过加入呼吸抑制剂,使ＭＦＣ型ＢＯＤ传感器可用于准确测量含氧和含硝酸盐的贫营养地表水中的ＢＯＤ含量。
此外,ＭＦＣ作为贫营养水体(如地表水、污水处理厂排出液等)的传感器电池的主要障碍在于Ｏ2通过阴极和质子交换膜的扩散速率大,在阴极的还原速率低,因此导致电池输出电流的输出信号很小。Ｋａｎｇ等[30]有针对性地对ＭＦＣ的阴极进行了改进,明显提高了ＭＦＣ电流输出的重复性和信噪比。
5 3 作为水处理的新工艺
目前,以有机污水为燃料、回收利用污水中有机质的化学能一直是ＭＦＣ研究中的主要目的,但在研究中,对于ＭＦＣ处理后污水水质的监测结果使研究人员对以ＭＦＣ工作原理为基础,开发新的污水处理工艺产生了浓厚兴趣。
2004年,Ｊａｎｇ等[4]研究发现,用ＭＦＣ处理由葡萄糖和谷氨酸配制的ＣＯＤＣｒ质量浓度为300ｍｇ/Ｌ的人工污水,ＣＯＤＣｒ的去除率可达到90%。Ｌｏｇａｎ等[2-3]直接用以空气为阴极的ＭＦＣ处理生活污水,ＣＯＤＣｒ去除率达到80%。Ｊａｎｇ等[4]用柱塞流蛇形管道电池处理含不同底物的污水,实现了连续处理污水、连续产生电流。值得注意的是,ＭＦＣ在厌氧降解有机物的同时,污水ｐＨ保持中性,且溶液中没有常规厌氧环境发酵产生的ＣＨ4和Ｈ2等。因此,ＭＦＣ可以作为污水的常规处理手段,ＣＯＤＣｒ去除率可以达到与一般厌氧过程同样的效果,但ＭＦＣ不会使污水水质发生酸化,也不会产生具有爆炸性的危险气体,因此具有很好的开发前景。
综上所述,ＭＦＣ在替代能源开发、微生物传感器研究和水处理工艺开发方面均具有良好的应用前景,但在改善电极电化学性能、提高电池输出功率密度和降低电池成本等方面还需要继续深入探索。相信随着ＭＦＣ研究的不断深入,ＭＦＣ的工业化应用将为期不远。
