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電池污染范文第1篇

1、有關(guān)專家指出，在生活中，一節(jié)一號電池如果爛在地里，便會導(dǎo)致一平方米的土地失去任何的利用價值。而廢舊的電池如果與生活垃圾混合處理，導(dǎo)致電池腐爛后，會使腐爛的電池中的鎘、鉛、鎳、汞等重金屬溶出，便會污染土壤和水體，最終會通過食物鏈危害人體的健康。人如果汞中毒，便會導(dǎo)致中樞神經(jīng)方面的疾病發(fā)生，而死亡率高達40%左右。因此，鎘被專家認定為IA級致癌物質(zhì)。

2、專家認定后還發(fā)現(xiàn)，在自然環(huán)境里有五種物質(zhì)對土壤的威脅是最大的，而電池里就包含有其中的三種：汞、鉛、鎘。汞就是大家知道的水銀，水銀具有很高的致癌物。汞是有毒的物質(zhì)，科學家發(fā)現(xiàn)，汞具的毒性會對免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等也有不良影響，兒童更易受害。

3、而電池里的鎘，如果誤入在人體內(nèi)，非常容易引起慢性中毒。因為鎘是一種毒性很大的重金屬，主要病癥是骨質(zhì)軟化、貧血、肺氣腫，并且很可能會使人體癱瘓。如果是含有鎘的礦山或是廢水污染了河兩岸及河水的牧草、糧食、土壤通過了食物鏈而進入到人體而慢慢積累在骨骼和腎臟中。便會取代骨中鈣，使骨骼嚴重軟化甚至骨頭寸斷，其鎘的毒性是潛在性的。

4、而電池里的鉛，如果進入人體后最難排泄，它干擾生殖功能、腎功能。資料表明人體內(nèi)鉛的生物學半衰期是20～40年。鉛對人體器官和組織的毒害是多方面的，且治療極為困難。由于鉛化合物具有不同程度的毒性，如果用任何方法從廢水中除鉛，也只能改變其存在任何方法從廢水中除鉛，但并不能消除最終的毒性。因此鉛廢水的處理最好和回收來結(jié)合。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

電池污染范文第2篇

微生物燃料電池并不是新興的東西，利用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個世紀70年代就已存在，并且使用微生物燃料電池處理家庭污水的設(shè)想也于1991年實現(xiàn)。但是，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實際應(yīng)用提供了可能的機會。

MFCs將可以被生物降解的物質(zhì)中可利用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能。要達到這一目的，只需要使細菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉(zhuǎn)化為利用不溶性的受體，比如MFC的陽極。這一轉(zhuǎn)換可以通過使用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿梭體來實現(xiàn)。然后電子經(jīng)由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消化作用相比，MFC能產(chǎn)生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。

與現(xiàn)有的其它利用有機物產(chǎn)能的技術(shù)相比，MFCs具有操作上和功能上的優(yōu)勢。首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，MFCs在常溫，甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運作。第三，MFC不需要進行廢氣處理，因為它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量輸入，因為僅需通風就可以被動的補充陰極氣體。第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，MFCs具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。

微生物燃料電池中的代謝

為了衡量細菌的發(fā)電能力，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必須要確定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決定細菌的代謝。增加MFC的電流會降低陽極電勢，導(dǎo)致細菌將電子傳遞給更具還原性的復(fù)合物。因此陽極電勢將決定細菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時也決定了代謝的類型。根據(jù)陽極勢能的不同能夠區(qū)分一些不同的代謝途徑：高氧化還原氧化代謝，中氧化還原到低氧化還原的代謝，以及發(fā)酵。因此，目前報道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴格厭氧型的都有分布。

在高陽極電勢的情況下，細菌在氧化代謝時能夠使用呼吸鏈。電子及其相伴隨的質(zhì)子傳遞需要通過NADH脫氫酶、泛醌、輔酶Q或細胞色素。Kim等研究了這條通路的利用情況。他們觀察到MFC中電流的產(chǎn)生能夠被多種電子呼吸鏈的抑制劑所阻斷。在他們所使用的MFC中，電子傳遞系統(tǒng)利用NADH脫氫酶，F(xiàn)e/S（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體，而不使用電子傳遞鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常觀察到，在MFCs的傳遞過程中需要利用氧化磷酸化作用，導(dǎo)致其能量轉(zhuǎn)化效率高達65%。常見的實例包括假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微腸球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。

如果存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會導(dǎo)致陽極電勢降低，電子則易于沉積在這些組分上。當使用厭氧淤泥作為接種體時，可以重復(fù)性的觀察到沼氣的產(chǎn)生，提示在這種情況下細菌并未使用陽極。如果沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，如果陽極持續(xù)維持低電勢則發(fā)酵就成為此時的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發(fā)酵過程中，涉及到的可能的反應(yīng)是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子能夠用來產(chǎn)生電流，而其它三分之二的電子則保存在產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物中，如乙酸和丁酸鹽。總電子量的三分之一用來發(fā)電的原因在于氫化酶的性質(zhì)，它通常使用這些電子產(chǎn)生氫氣，氫化酶一般位于膜的表面以便于與膜外的可活動的電子穿梭體相接觸，或者直接接觸在電極上。同重復(fù)觀察到的現(xiàn)象一致，這一代謝類型也預(yù)示著高的乙酸和丁酸鹽的產(chǎn)生。一些已知的制造發(fā)酵產(chǎn)物的微生物分屬于以下幾類：梭菌屬（Clostridium），產(chǎn)堿菌（Alcaligenes），腸球菌（Enterococcus），都已經(jīng)從MFCs中分離出來。此外，在獨立發(fā)酵實驗中，觀察到在無氧條件下MFC富集培養(yǎng)時，有豐富的氫氣產(chǎn)生，這一現(xiàn)象也進一步的支持和驗證這一通路。

發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在MFC的環(huán)境中奪取乙酸中的電子。

代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數(shù)據(jù)一起，為我們一窺微生物電動力學提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很低的情況下運轉(zhuǎn)的MFC，在剛開始在生物量積累時期只產(chǎn)生很低的電流，因此具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培養(yǎng)生長，它的代謝轉(zhuǎn)換率，體現(xiàn)為電流水平，將升高。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態(tài)。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細菌種類的選擇的可能性被局限了。

MFC中的陽極電子傳遞機制

電子向電極的傳遞需要一個物理性的傳遞系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結(jié)合的電子穿梭復(fù)合體。

氧化性的、膜結(jié)合的電子傳遞被認為是通過組成呼吸鏈的復(fù)合體完成的。已知細菌利用這一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水氣單胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。決定一個組分是否能發(fā)揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結(jié)構(gòu)相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發(fā)生相互作用）。門控的勢能與陽極的高低關(guān)系則將決定實際上是否能夠使用這一門控（電子不能傳遞給一個更還原的電極）。

MFCs中鑒定出的許多發(fā)酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉(zhuǎn)移過程。最近，這一關(guān)于電子傳遞方法的設(shè)想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必須結(jié)合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。

細菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細胞（內(nèi)）的化合物轉(zhuǎn)移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應(yīng)器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經(jīng)驗表明這些中間體的添加通常都是很關(guān)鍵的。但是，細菌也能夠自己制造這些氧化中間體，通過兩種途徑：通過制造有機的、可以被可逆的還原化合物（次級代謝物），和通過制造可以被氧化的代謝中間物（初級代謝物）。

第一種途徑體現(xiàn)在很多種類的細菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及銅綠假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的MFC中的這些與代謝中間體產(chǎn)生相關(guān)的基因，可以將產(chǎn)生的電流單獨降低到原來的二十分之一。由一種細菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。

通過第二種途徑細菌能夠制造還原型的代謝中間體——但還是需要利用初級代謝中間物——使用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等利用E.coliK12產(chǎn)生氫氣，并將浸泡在生物反應(yīng)器中的由聚苯胺保護的鉑催化電極處進行再氧化。通過這種方法他們獲得了高達1.5mA/cm2（A，安培）的電流密度，這在之前是做不到。相似的，Straub和Schink發(fā)表了利用Sulfurospirillumdeleyianum將硫還原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化程度更高的中間物。評價MFCs性能的參數(shù)

使用微生物燃料電池產(chǎn)生的功率大小依賴于生物和電化學這兩方面的過程。

底物轉(zhuǎn)化的速率

受到如下因素的影響，包括細菌細胞的總量，反應(yīng)器中混合和質(zhì)量傳遞的現(xiàn)象，細菌的動力學（p-max——細菌的種屬特異性最大生長速率，Ks——細菌對于底物的親和常數(shù)），生物量的有機負荷速率（每天每克生物量中的底物克數(shù)），質(zhì)子轉(zhuǎn)運中的質(zhì)子跨膜效率，以及MFC的總電勢。

陽極的超極化

一般而言，測量MFCs的開放電路電勢（OCP）的值從750mV~798mV。影響超極化的參數(shù)包括電極表面，電極的電化學性質(zhì)，電極電勢，電極動力學以及MFC中電子傳遞和電流的機制。

陰極的超極化

與在陽極觀測到的現(xiàn)象相似，陰極也具有顯著的電勢損失。為了糾正這一點，一些研究者們使用了赤血鹽（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血鹽并不是被空氣中的氧氣完全重氧化的，所以應(yīng)該認為它是一個電子受體更甚于作為媒介。如果要達到可持續(xù)狀態(tài)，MFC陰極最好是開放性的陰極。

質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運的性能

目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—質(zhì)子轉(zhuǎn)換膜（PEMs）。然而，Nafion—膜對于（生物）污染是很敏感的，例如銨。而目前最好的結(jié)果來自于使用Ultrex陽離子交換膜。Liu等不用使用膜，而轉(zhuǎn)用碳紙作為隔離物。雖然這樣做顯著降低了MFC的內(nèi)在電阻，但是，在有陽極電解液組分存在的情況下，這一類型的隔離物會刺激陰極電極的生長，并且對于陰極的催化劑具有毒性。而且目前尚沒有可信的，關(guān)于這些碳紙-陰極系統(tǒng)在一段時期而不是短短幾天內(nèi)的穩(wěn)定性方面的數(shù)據(jù)。

MFC的內(nèi)在電阻

這一參數(shù)既依賴于電極之間的電解液的電阻值，也決定于膜電阻的阻值（Nafion—具有最低的電阻）。對于最優(yōu)化的運轉(zhuǎn)條件，陽極和陰極需要盡可能的相互接近。雖然質(zhì)子的遷移會顯著的影響與電阻相關(guān)的損失，但是充分的混合將使這些損失最小化。

性能的相關(guān)數(shù)據(jù)

在平均陽極表面的功率和平均MFC反應(yīng)器容積單位的功率之間，存在著明顯的差異。表2提供了目前為止報道過的與MFCs相關(guān)的最重要的的結(jié)果。大部分的研究結(jié)果都以電極表面的mA/m以及mW/m2兩種形式表示功率輸出的值，是根據(jù)傳統(tǒng)的催化燃料電池的描述格式衍生而來的。其中后一種格式對于描述化學燃料電池而言可能已經(jīng)是充分的，但是MFCs與化學燃料電池具有本質(zhì)上的差異，因為它所使用的催化劑（細菌）具有特殊的條件要求，并且占據(jù)了反應(yīng)器定的體積，因此減少了其中的自由空間和孔隙的大小。每一個研究都參照了以下參數(shù)的特定的組合：包括反應(yīng)器容積、質(zhì)子交換膜、電解液、有機負荷速率以及陽極表面。但僅從這一點出發(fā)要對這些數(shù)據(jù)作出橫向比較很困難。從技術(shù)的角度來看，以陽極倉內(nèi)容積（液體）所產(chǎn)生的瓦特/立方米（Watts/m3）為單位的形式，作為反應(yīng)器的性能比較的一個基準還是有幫助的。這一單位使我們能夠橫向比較所有測試過的反應(yīng)器，而且不僅僅局限于已有的研究，還可以拓展到其它已知的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。

此外，在反應(yīng)器的庫侖效率和能量效率之間也存在著顯著的差異。庫侖效率是基于底物實際傳遞的電子的總量與理論上底物應(yīng)該傳遞的電子的總量之間的比值來計算。能量效率也是電子傳遞的能量的提示，并結(jié)合考慮了電壓和電流。如表2中所見，MFC中的電流和功率之間的關(guān)系并非總是明確的。需要強調(diào)的是在特定電勢的條件下電子的傳遞速率，以及操作參數(shù)，譬如電阻的調(diào)整。如果綜合考慮這些參數(shù)的問題的話，必須要確定是最大庫侖效率（如對于廢水處理）還是最大能量效率（如對于小型電池）才是最終目標。目前觀測到的電極表面功率輸出從mW/m2~w/m2都有分布。

優(yōu)化

生物優(yōu)化提示我們應(yīng)該選擇合適的細菌組合，以及促使細菌適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)化過的環(huán)境條件。雖然對細菌種子的選擇將很大程度上決定細菌增殖的速率，但是它并不決定這一過程產(chǎn)生的最終結(jié)構(gòu)。使用混合的厭氧-好氧型淤泥接種，并以葡萄糖作為營養(yǎng)源，可以觀察到經(jīng)過三個月的微生物適應(yīng)和選擇之后，細菌在將底物轉(zhuǎn)換為電流的速率上有7倍的增長。如果提供更大的陽極表面供細菌生長的話，增長會更快。

批處理系統(tǒng)使能夠制造可溶性的氧化型中間體的微生物的積累成為了可能。持續(xù)的系統(tǒng)性選擇能形成生物被膜的種類，它們或者能夠直接的生長在電極上，或者能夠通過生物被膜的基質(zhì)使用可移動的穿梭分子來傳遞電子。

通過向批次處理的陽極中加入可溶性的氧化中間體也能達到技術(shù)上的優(yōu)化：MFCs中加入氧化型代謝中間體能夠持續(xù)的改善電子傳遞。對這些代謝中間體的選擇到目前為止還僅僅是出于經(jīng)驗性的，而且通常只有低的中間體電勢，在數(shù)值約為300mV或者還原性更高的時候，才認為是值得考慮的。應(yīng)該選擇那些具有足夠高的電勢的氧化中間體，才能夠使細菌對于電極而言具有足夠高的流通速率，同時還需參考是以高庫侖效率還是以高能量效率為主要目標。

一些研究工作者們已經(jīng)開發(fā)了改進型的陽極材料，是通過將化學催化劑滲透進原始材料制成的。Park和Zeikus使用錳修飾過的高嶺土電極，產(chǎn)生了高達788mW/m2的輸出功率。而增加陽極的特殊表面將導(dǎo)致產(chǎn)生更低的電流密度（因此反過來降低了活化超極化）和更多的生物薄膜表面。然而，這種方法存在一個明顯的局限，微小的孔洞很容易被被細菌迅速堵塞。被切斷食物供應(yīng)的細菌會死亡，因此在它溶解前反而降低了電極的活化表面?？傊档突罨瑯O化和內(nèi)源性電阻值將是影響功率輸出的最主要因素。

IVIFC：支柱性核心技術(shù)

污物驅(qū)動的應(yīng)用在于能夠顯著的移除廢棄的底物。目前，使用傳統(tǒng)的好氧處理時，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的處理每立方米需要消耗0.5kWh的能量，折算后在這一項上每人每年需要消耗的能源約為30kWh。為了解決這一問題，需要開發(fā)一些技術(shù)，特別是針對高強度的廢水。在這一領(lǐng)域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反應(yīng)器，它產(chǎn)生沼氣，特別是在處理濃縮的工業(yè)廢水時。UASB反應(yīng)器通常以每立方米反應(yīng)器每天10~20kg化學需氧量的負荷速率處理高度可降解性的廢水，并且具有（帶有一個燃燒引擎作為轉(zhuǎn)換器）35%的總電力效率，意味著反應(yīng)器功率輸出為0.5~1kW/m3。它的效率主要決定于燃燒沼氣時損失的能量。未來如果發(fā)展了比現(xiàn)有的能更有效的氧化沼氣的化學染料電池的話，很可能能夠獲得更高的效率。

能夠轉(zhuǎn)化具有積極市場價值的某種定性底物的電池，譬如葡萄糖，將以具有高能量效率作為首要目標。雖然MFCs的功率密度與諸如甲醇驅(qū)動的FCs相比是相當?shù)偷?，但是對于這項技術(shù)而言，以底物安全性為代表的多功能性是它的一個重要優(yōu)勢。

電池污染范文第3篇

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能，化糞池，微生物燃料電池，產(chǎn)電

中圖分類號： TU201.5文獻標識碼：A文章編號：

1 引言

近年來，中國房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，每年新建房屋面積高達17～18億平米，超過所有發(fā)達國家每年建成建筑面積的總和[1]。建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，建筑能耗隨之迅速增長，1999年我國建筑能耗占社會總能耗的比例已達到20%～25%。隨著人民生活水平的不斷提高、城鎮(zhèn)化進程的加快以及住房體制改革的深化，我國的建筑能耗必將進一步增加。為此，“建筑節(jié)能”概念應(yīng)運而生。

建筑節(jié)能，在發(fā)達國家最初為減少建筑中能量的散失，現(xiàn)在則普遍稱為“提高建筑中的能源利用率”，即在保證提高建筑舒適性的條件下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率[2]。我國建筑節(jié)能起步較晚，建筑能耗比發(fā)達國家高很多。因此，不斷開發(fā)新的建筑節(jié)能技術(shù)，提高建筑物的能源利用效率至關(guān)重要，力求在減少建筑內(nèi)能源總需求量的同時，大力開發(fā)利用可再生的新能源[3]。

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFCs）作為近年來發(fā)展起來的一種新能源，是一種利用微生物的酶將儲存在有機物質(zhì)中的化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置[4, 5]。本文將探討MFC 在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，將其與化糞池聯(lián)合作用，達到產(chǎn)能與處理糞水的雙重效果。

2 MFC簡介

如圖1所示，陽極室的底物在微生物的呼吸作用下被代謝分解，產(chǎn)生的能量被微生物儲存用于自身生長，而產(chǎn)生的電子被介體從微生物體內(nèi)攜帶出來傳遞到陽極上，外部與用電器連接構(gòu)成回路，電子在回路中流動，從而形成電流。這個過程中產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞進入陰極室，與氧氣和電子反應(yīng)生成水，從而實現(xiàn)化學能到電能的轉(zhuǎn)化[6]。影響MFC產(chǎn)電的因素很多，如電池的結(jié)構(gòu)及運行方式、產(chǎn)電微生物的種類、電極種類及比表面積、質(zhì)子交換膜、底物種類等。

圖1微生物燃料電池工作原理

3 以糞水為基質(zhì)的MFC可行性及研究進展

人體排泄物主要成分中3/4為水，1/4為固體；固體中30%為死細菌，10%～20%為脂肪，2%～3%為蛋白質(zhì)，10%～20%為無機鹽，30%為未消化的殘存食物及消化液中脫落的上皮細胞等固體成分[7]。其中大部分物質(zhì)，如脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物等大分子物質(zhì)，但都可以經(jīng)過水解發(fā)酵轉(zhuǎn)化成小分子物質(zhì)，直接作為產(chǎn)電微生物電子供體[8, 9]，因此理論上糞水可以作為微生物燃料電池的燃料。

將微生物燃料電池應(yīng)用于人體排泄物的處理是近些年才開始關(guān)注的技術(shù)，研究也剛處在起步階段，僅有為數(shù)不多的研究小組在進行研究。Li等研究了以糞水為燃料的MFC產(chǎn)電性能，結(jié)果表明，利用厭氧發(fā)酵裝置對糞水發(fā)酵，將大分子化合物分解為小分子有機物后再作為MFC的底物，其產(chǎn)電性能有了大幅度提升[10]。因此，可考慮利用化糞池作為厭氧發(fā)酵裝置，構(gòu)建“產(chǎn)酸發(fā)酵預(yù)處理單元”與“MFCs單元”，將生活糞便污水經(jīng)發(fā)酵水解后作為MFC的燃料進行產(chǎn)電。

4 MFC在建筑中應(yīng)用的探討：

1）MFC與化糞池合用的可行性

目前建筑中采用的化糞池大多為磚砌或鋼筋混凝土澆筑，內(nèi)部一般分兩格或三格，如圖2。人體排泄物首先進入第Ⅰ池，比重較大的固狀物及寄生蟲卵等沉淀下來，利用池水中的厭氧細菌開始初步發(fā)酵分解，經(jīng)第一格處理過的污水可分為三層：上層糊狀糞皮、中層比較澄清的糞液和下層的固狀糞渣。之后中層糞液經(jīng)過糞孔溢流至第Ⅱ池，而將大部分未經(jīng)充分發(fā)酵的糞皮和糞渣阻留在第Ⅰ池繼續(xù)發(fā)酵。流入第Ⅲ池的糞液已基本腐熟，出水排入市政管網(wǎng)。

圖2：三格化糞池剖面示意圖[11]

糞水厭氧發(fā)酵階段產(chǎn)生的小分子有機物主要存在于第Ⅱ池的中層糞液，因此，可利用中層糞液作為MFC的燃料。如圖3所示，在化糞池Ⅱ格內(nèi)設(shè)置連通管，中層糞液經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進入MFC電池組，經(jīng)產(chǎn)電微生物作用后流入化糞池第Ⅲ格。連通管處設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，控制進入MFC陽極室的糞液量及流速，以達到最佳產(chǎn)電效果。研究表明，在相同條件下（電池體積、底物、接種微生物、外界溫度等），單室電池比雙室電池的產(chǎn)電高：Liu等采用單室（空氣式陰極）微生物燃料電池處理城市廢水，產(chǎn)能密度為146mW/m2，而采用雙室（液體式陰極）微生物燃料電池產(chǎn)能密度僅為16～28mW/㎡[12]，同時考慮到占地面積，建議采用單室微生物燃料電池組與化糞池聯(lián)合。化糞池一般埋地設(shè)置，因此MFC上空需安裝格柵，保持陰極與空氣的良好接觸。

根據(jù)用電器的用電要求，MFC電池組的各單體電池可采取串聯(lián)或并聯(lián)方式，以求電壓或電流的最大化。Du等以單體有效容積120 cm3的MFC處理人體糞水，最高可產(chǎn)生0.288 mW的電能[13]。若組裝10 m³的MFC電池組，則可連續(xù)提供24 W的電能，可為LED燈等用電功率較低的電氣設(shè)備提供長期電源。

圖3：MFC與化糞池合用平面示意圖

2）MFC與化糞池合用的理論依據(jù)

化糞池內(nèi)理論上為厭氧環(huán)境，與MFC陽極室相同，因此將它們直接連通，不會造成內(nèi)部環(huán)境的本質(zhì)改變。

（1）溫度：中溫厭氧消化溫度為30～36℃；而在30℃下，MFC的最大產(chǎn)電性能相對優(yōu)良，其輸出功率、庫倫效率、COD去除率等均比20℃時有較大幅度的提高[14～16]。

（2）pH值：對污泥厭氧消化的影響很大[17]，水解與發(fā)酵菌對pH值的適應(yīng)范圍大致為5～6.5，甲烷菌對pH值的適應(yīng)范圍為6.6～7.5之間，即只允許在中性附近波動[18]；而產(chǎn)電微生物也是的近乎中性的環(huán)境中反應(yīng)。

（3）微生物種群：目前大部分MFC中的產(chǎn)電微生物，都是從厭氧污泥中培養(yǎng)出來的，其中普通變形菌和埃希氏大腸桿菌被證明是很好的接種細菌[19]，而混合接種比純種接種微生物產(chǎn)電要高很多。Park等向電池中分別接種污泥和埃希氏大腸桿菌時，產(chǎn)能密度分別為787.5 mW/m2和91 mW/m2[20]。一些已知的在化糞池中產(chǎn)酸發(fā)酵的微生物分屬于以下幾類：梭菌屬（Clostridium）、產(chǎn)堿菌（Alcaligenes）、腸球菌（Enterococcus），也都已經(jīng)從MFC中分離出來。

綜上所述，將MFC與化糞池直接連通具備可行性。

3）MFC與化糞池合用的優(yōu)勢

（1）MFC可分擔部分化糞池水解酸化后的污水，提高有機物去除率，提高出水水質(zhì)，在一定程度上減小城市污水處理廠的負擔。

（2）化糞池運行期間，池內(nèi)污水保持流動狀態(tài)，MFC陽極室中的溶液也會不停流動，相當于連續(xù)運行的MFC。MFC的運行方式是影響其產(chǎn)電的重要因素，連續(xù)運行比間歇運行產(chǎn)電性能高。

（3）產(chǎn)電微生物能將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，避免了受卡諾循環(huán)和現(xiàn)代材料的限制，保證了較高的能量轉(zhuǎn)化效率；MFC內(nèi)部反應(yīng)生成的產(chǎn)物為二氧化碳和水，不需要進行廢氣處理，且無噪音、無異味，不存在二次污染的可能；在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，將MFC與化糞池合用，可提供基本的而寶貴的照明電能。

電池污染范文第4篇

關(guān)鍵詞:新課標 高中化學 硼氫化物燃料電池

在近年迅猛發(fā)展的燃料電池中,直接以硼氫化物溶液為“燃料”的硼氫燃料電池DBFC(Direct borohydride fuel cell)受到關(guān)注。硼氫化物溶液的能效較高,理論比能量達9300Wh/kg NaBH4。電極材料常使用金、鎳等金屬,它們同時也是催化劑。NaBH4是一種常用還原劑,溶液無毒、不揮發(fā)、不易燃,原料為資源豐富的硼砂。因此,盡管DBFC還處于研發(fā)階段,但它用于便攜式高能效燃料電池,已表現(xiàn)出很好的開發(fā)潛力。

一、DBFC的基本結(jié)構(gòu)

DBFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由陽極、陽極集流板(帶有硼氫化物溶液腔室或流道)、硼氫化物溶液、隔膜、陰極、陰極集流板(帶有氣體通道)組成。所用燃料為堿性LiBH4、NaBH4或KBH4溶液等,以NaBH4應(yīng)用最廣。氧化劑常為空氣(氧氣)或過氧化氫。

二、DBFC的工作原理

1.直接硼氫化物――空氣燃料電池

直接硼氫化物――空氣燃料電池的基本工作原理為:

陽極(電池負極)反應(yīng):BH4-+8OH-BO4-+6H2O+8e-

Eo陰極= -1.24V

陰極(電池正極)反應(yīng):2O2+4H2O+8e-8OH-

Eo陰極= 0.40V

當電池隔膜為陰離子交換膜,陰極生成的OH-穿過隔膜到達陽極,參與陽極反應(yīng),如圖2所示。Liu等人發(fā)現(xiàn),陽膜可比陰膜更有效地防止BH4-穿透,并且陽膜在堿性環(huán)境中穩(wěn)定性更高。

電池反應(yīng)為BH4-+2O2BO2-+2H2O,電動勢Eo電池=1.64V,可以輸出電能。

2.直接硼氫化物――過氧化氫燃料電池

在這種電池中,氧化劑H2O2在陰極的電還原只轉(zhuǎn)移兩個電子,比氧氣的還原容易得多。以H2O2為氧化劑可構(gòu)成全液態(tài)燃料電池,能產(chǎn)生較高的理論電壓,可廣泛應(yīng)用于水下和宇宙等無氧環(huán)境中。

電池的陽極反應(yīng)同前一電池,陰極發(fā)生H2O2的還原反應(yīng)。當陰極液為堿性時,陰極反應(yīng)為4H2O2+8e-8OH-,Eo陰極=0.87V,電池理論電壓為2.11V。酸性條件的陰極反應(yīng)為4H2O2+8H++8e-8H2O,Eo陰極=1.77V,電池理論電壓可達3.01V,能產(chǎn)生更高的電壓,并且雙氧水在酸性溶液中穩(wěn)定性較高,因此目前研究較多。

三、DBFC性能的主要影響因素

1.陽極催化劑

目前,通過改善電極性能提高電池效能的工作主要集中在陽極上。BH4-的陽極氧化是多步過程,在不同電極材料和不同電勢范圍的反應(yīng)機理不同。一般認為,BH4-在低電化學極化下主要發(fā)生4電子反應(yīng),而在較高電化學極化下可能發(fā)生8電子反應(yīng),效率更高。這一點貴金屬具有很大優(yōu)勢,但成本高,因此非貴金屬催化劑研究具有實際意義。Kim等人指出,當應(yīng)用于便攜設(shè)備時,DBFC的優(yōu)勢之一是采用非貴金屬作陽極就可能建立一個高效系統(tǒng)。

抑制BH4-的陽極水解,促進其8電子氧化反應(yīng),是一個核心問題,至今未得到很好解決。例如,有人研究了Au及其合金、Ni粉、AB2和AB5型儲氫合金、貴金屬Pt和Pd作陽極電催化劑,發(fā)現(xiàn)金負載量為10%的Au/科琴炭黑催化劑對BH4-陽極氧化催化活性最佳;鎳催化劑雖然價格低廉,但BH4-在其上的電催化反應(yīng)為4電子反應(yīng),實際應(yīng)用前景不大;AB5型MmNi3.55Al0.4Co0.75的催化活性較好;貴金屬Pt和Pd對硼氫化鈉的水解和其電氧化反應(yīng)都有促進作用。

催化劑的狀態(tài)也有影響。例如,用機械球磨法制備出納米粒子集聚成的微米銀鎳合金顆粒,具有二元合金的典型結(jié)構(gòu)特征,既保持了鎳對BH4-電氧化的催化活性,又體現(xiàn)出銀對BH4-化學水解的惰性。在其催化下,KBH4的放電容量在3500mAh•g-1以上,對硼氫化物燃料的利用率可達90%以上。

有研究表明,增大陽極催化劑的用量可以提高能量密度。例如,當使用Pd/C催化劑0.3mg•cm-2時,最大能量密度為12.7mW•cm-2;而使用量為1.08mg•cm-2時,最大能量密度達到19.4mW•cm-2。

2.溫度

DBFC的反應(yīng)性能受溫度的影響。例如,當溫度從25℃上升到60℃時,電池能量密度的峰值增至原來的127%。

3.電解液濃度

Celik等人發(fā)現(xiàn),隨著生成的金屬堿溶液濃度升高,硼氫化鈉燃料電池能量密度先升高,再慢慢降低。他們認為,當金屬堿溶液的濃度過高時,Na+離子受到周圍離子的束縛,反而活度降低。他們發(fā)現(xiàn),當NaOH的濃度為20%時,電池的性能最佳。

4.氧化劑的濃度

氧化劑的濃度也影響電池性能。例如,用空氣作為氧化劑時,得到最大能量密度僅為7.3mW•cm-2,而用純氧作為氧化劑時,得到最大能量密度11.7mW•cm-2,作者認為這是由于更多氧得到了轉(zhuǎn)化。

四、DBFC存在的主要問題

1.實際不能實現(xiàn)理論8電子轉(zhuǎn)移

前已述及,BH4-的電氧化通常不是按理論上的8電子進行,而是可能發(fā)生以下幾種反應(yīng),其相對比例因催化劑而異,反應(yīng)機理目前尚不十分清楚。其中,水解反應(yīng)只產(chǎn)生氫氣而不產(chǎn)電,要竭力避免。

6電子反應(yīng):BH4-+6OH-BO2-+4H2O+H2+6e-

4電子反應(yīng):BH4- +4OH-BO2-+2H2O+2H2+4e-

陽極水解反應(yīng):BH4-+2H2O-BO2-+4H2

2.成本較高

工業(yè)上主要采用以礦物為原料的硼酸三甲酯法和硼砂法生產(chǎn)硼氫化鈉,反應(yīng)式如下:

硼酸三甲酯法:

硼砂法:

兩種方法生產(chǎn)的硼氫化鈉價格都較高。采用非貴金屬催化劑可降低成本,回收利用陽極產(chǎn)物偏硼酸鈉(即從偏硼酸鈉制備硼氫化鈉)也是降低成本的重要方法,比較理想的是構(gòu)成從DBFC發(fā)電到偏硼酸鈉制備硼氫化鈉的循環(huán)系統(tǒng)。例如,室溫下通過機械球磨化學反應(yīng)法可實現(xiàn)NaBO2的回收,反應(yīng)式如下。當MgH2用量達化學計量值的1.25倍時,NaBO2的回收率接近100%。

NaBO2+2MgH2NaBH4+2MgO

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電池污染范文第5篇

科學家們對此發(fā)明激動不已。在此之前，沒有人從排出的尿中找出“電力”，更沒人想過我們的“噓噓”會與高端大氣的手機扯上關(guān)系。這種被人嗤之以鼻的人體廢物，居然可以這樣變廢為寶！研究者稱這是世界上第一款能為手機充電的尿液微生物燃料電池。區(qū)別于風能和太陽能等飄忽不定的能源，尿液的供應(yīng)是源源不斷的，如果這種電池可以大量投入使用，將為人類提供穩(wěn)定的電力，產(chǎn)生人們需要的電量。

這種微生物燃料電池其實是一個能量轉(zhuǎn)換器，利用細菌的新陳代謝將有機物轉(zhuǎn)換成電能?？茖W家在碳纖維上培養(yǎng)細菌，再將細菌放到有尿液流過的容器里，細菌就會分解尿液里的化學物質(zhì)，產(chǎn)生電子，累積成電荷再儲存于電容器里，連接上手機便可為其充電。

目前，這種電池還在雛形階段，不能提供大量的電力。用來為手機充電的電池大約儲存50毫升的尿，但其產(chǎn)生的電力只能供手機短時間使用，不能用于長時間通話。研究者稱，目前他們正在對電池進行改進，以研發(fā)出既方便攜帶又能讓手機電池充滿電的尿液型微生物燃料電池。

這種電池因為用尿液作為原料，所以既環(huán)保又廉價。據(jù)統(tǒng)計，全世界每天牲畜和動物排泄的尿液多達380億升?？茖W家表示，做一個尿液電池只需要10元左右，或許是未來產(chǎn)生廉價新能源的途徑。他們還認為這項技術(shù)不僅能用于為手機充電，未來還能夠應(yīng)用于家庭浴室，滿足淋浴、照明、電動剃須刀等的用電需求，甚至打造一種原料現(xiàn)取現(xiàn)用的智能衛(wèi)生間，發(fā)揮成本低廉優(yōu)勢，在發(fā)展中國家和偏遠地區(qū)使用。

尿液的用途多多

實際上，科學家的奇思妙想還不止于此，尋常人眼中一無是處的尿液在科學界可算是寵兒，多年來不少研究者發(fā)揮了“不怕臟，不怕累”的科學鉆研精神，對尿液進行研究，并取得了一些喜人的發(fā)現(xiàn)。

利用尿液制造腦細胞：去年，中國的科學家成功創(chuàng)造出一種利用尿液制造人體腦細胞的方法。人體皮膚細胞會習慣性地從腎臟中隨著尿液流出，而科學家就是用這些細胞來重新制成了干細胞，這種細胞可以變成人體內(nèi)任何一種細胞，包括腦細胞。因為這項技術(shù)依賴于人體尿液，所以會比原來通過抽取患者血液制造腦細胞的方式更為簡單方便，也更加安全。未來該技術(shù)如被廣泛應(yīng)用，醫(yī)生就可以快速獲取對于患者來說至關(guān)重要的腦細胞。這項研究成果被認為是目前該領(lǐng)域最先進的。

用尿液吸收溫室氣體：西班牙科學家的一項研究表明，尿可以作為吸收溫室氣體二氧化碳的活性物質(zhì)。在尿液中加一些橄欖廢水（從研磨過的橄欖醬中提取的一種黑色、惡臭的液體）作防腐劑，每升尿液混合一小部分橄欖廢水可在超過六個月的時間內(nèi)穩(wěn)定吸收好幾克二氧化碳?？梢园堰@種混合液加入到居家或工業(yè)的煙囪中，讓其吸收二氧化碳，吸收廢氣后的混合液還可以引流出來作為農(nóng)業(yè)肥料。