利用微生物和光能联合制氢技术.docx

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利用微生物和光能联合制氢技术

利用微生物和光能联合制氢技术

济南大学医学与生命科学学院制药工程0902班邓小波

众所周知，氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能的应用自200百年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛的开展了氢能的研究。

中国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初，中国科学家为了发展本国的航天事业单，对作为火箭燃料的液氢的生产、氢氧燃料电池的研究开发进行了大量而有效的工作。

到目前为止，氢能技术已经被列入《科学技术发展“十五”计划和2015年远景规划》。

目前利用可在生能源制氢的主要技术，包括电解水制氢，太阳能热化学循环制氢和利用生物质转化制氢。

电解水制氢技术是最早利用的制氢技术之一，它操作简单，可靠性很大，但是传统的电解水制氢的能耗特别高，以及矿物原料有限的特点。

然而生物质制氢技术能克服以上弊端，故成为当今科学研究制氢技术的主流。

生物质制氢又包括两个方面，分别是生物质气化制氢和微生物脱氢方法制氢。

由于生物质气化制氢与本文无关，这里也就不详细介绍了。

微生物脱氢方法制氢又有以下几种：

微生物厌氧发酵制氢技术，光能微生物制氢技术，二次发酵制氢技术等。

本次我要提的利用微生物和光能联合制氢技术从本质上来说是属于微生物脱氢方法制氢的范畴。

但是利用微生物和光能联合制氢技术是把厌氧发酵跟光能发电技术实现了完美结合，从而又区别于普通发酵制氢技术。

生物制氢方法

产氢效率

转化底物类型

转化底物效率

环境友好程度

光解水制氢

慢

水

低

需要光，对环境无污染

光发酵制氢

较快

小分子有机酸、醇类物质

较高

可利用各种有机废水制氢，制氢过程需要光照

暗发酵制氢

快

葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化合物

高

可利用各种工农业废弃物制氢，发酵废液在排放前需处理

光发酵和暗发酵耦合制氢

最快

葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化合物

最高

可利用各种工农业废弃物制氢，在光发酵过程中需要氧气

　表1：

几种生物制氢方法比较

早在2006年，美国宾州州立大学环境工程学教授BruceE.Logan和ShaoanCheng等人开发出一种新型微生物燃料电池，洛根就在自己所编写的《微生物燃料电池》中指出：

在微生物燃料电池（简称MFC）外接一低压电源，就能在其阴极产生氢，在研究醋酸时发现，细菌会消耗醋酸并在溶液中产生0.3伏的电压。

如果再从外界施加0.2伏多的电压，氢气泡就会从液体中冒出来。

Logan表示：

“该过程产生氢能的能量是施加电能的288％。

”即使用产出的氢气来制造额外施加的电能，该过程的能量净产出仍然相当可观。

这个装置被称作MEC（MEC具体详见2008年翻译的《微生物燃料电池》）。

利用微生物和光能联合制氢技术的基本原理就是基于MEC提出来的。

但是又在MEC上进行了发展与提高。

利用微生物和光能联合制氢技术原理。

（1）微生物厌氧发酵技术：

微生物厌氧发酵技术就是利用厌氧微生物通过厌氧发酵有机物作用产生还原氢［H］，由于许多有机废水中含有大量可以被厌氧微生物利用的有机成分，利用牛粪废水、精制糖废水、豆制品废水、乳制品废水、淀粉废水、酿造酒废水等作为底物进行厌氧发酵都可以产生［H］。

同时形成一定的电压，基本反应方程如下：

C6H12O6＋6H2O－24e－＝6CO2＋24H＋

微生物厌氧发酵是利用微生物和光能联合制氢技术的基础，它产生的还原性氢［H］作为微生物和光能联合制氢技术的原料基础。

为氢气的产生提供了条件。

图1：

微生物和光能联合制氢技术的基本原理

（2）光能发电技术：

光能发电主要是为微生物和光能联合氢提供外电压。

由于微生物厌氧发酵提供了［H］，只要有电子存在，并在一定的外电压下，故就可以生成氢气。

基本反应方程如下：

2H+2e=H2

制综合上述，利用微生物和光能联合制氢技术原理就是先利用微生物厌氧发酵产生还原氢［H］和一定的电压,然后利用光能产生外电压下，制取氢气。

利用微生物和光能联合制氢装置：

图2：

（1）通光阴极室

（2）阳离子半透膜（3）厌氧发酵暗室（从左到右）

（1）通光阴极室：

主要是由阴极电极和通光室组成，阴极电极主要产生电子，形成外电压。

（2）阳离子半透膜：

是分开阴阳两室的装置，通过半透膜阻断两室一些物质交流。

首先是阻断氧气进入阳极厌氧发酵暗室，由于暗室里是严格厌氧微生物，如果氧气进入，势必会抑制厌氧微生物的生长，更严重的就会导致死亡。

从而导致厌氧暗室的产氢【H】能力下降。

最终影响H2的产生速率。

其次半透膜只允许【H】从暗室进入阴极反应。

（3）厌氧发酵暗室：

厌氧发酵暗室主要包括的是多孔的阴极电极，暗室主要是用来提供厌氧微生物发酵的场所。

里面物质主要是微生物和有机底物！

微生物附着在多孔电极上利用室内的有机物产生还原氢。

由于大多数厌氧微生物在光照条件下生长都会糟到抑制，严重则导致死亡，不利于还原氢的产生，所以必须做成暗室。

电子转移机制：

参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：

（1）微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；

（2）介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；（3）微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。

图3：

微生物吸附在电表面

电极的材料的选择：

阴极电极材料：

由于阴极电极担负着提供电子的任务，所以阴极电极必须要在光照条件下能产生电子，因此光电材料成为了主要选择。

所谓光电效应，即围绕原子核的电子吸收光子后获得能量，如果能量足够高（波长足够短），电子就脱离原子核控制成为光电子，只要捕获光电子，吸光部分带＋电，捕获部分带－电，形成电势差，实际上就是光电池的正负极．如图4：

因此由于光电效应，阴极为整个装置提供了电子，所以通过导线，外电压就形成了。

但是单一的光电材料不能作为阴极单独使用，由于受电极单位面积影响，提高电极的单位面积有利于加快氢气的产生速率，所以必须对光电极作出处理。

最有效的方法是在光电极的一极镀上催化材料。

阳极电极材料：

由于阳极电极直接和微生物接触，并担负着为微生物提供吸附场所和传递电子的重要任务。

所以阳极材料必须有很好的抗氧化性和重量轻，孔隙率高等特点。

对于微生物和光能联合制氢技术而言，阳极材料直接关系到该电解池的电子传输速率以及其内阻大小，对其产电性能和产氢性能有着显著的影响。

所以主要考察了两种电极材料。

一种是成本较低，机械强度较好的石墨。

由于石墨电极的反应表面为平面，故选用碳纤维纸（简称为碳纸））作为对比的电极材料，同传统的石墨电极相比，碳纸具有体积小，重量轻，孔隙率高等优点。

图5：

电极表面

阳离子交换膜的选择：

在微生物和光能联合制氢装置中，离子交换膜的主要作用是阻断厌氧暗室的物质进入通光阴极室，同时也是为了防止氧气进入厌氧暗室，但是又必须允许氢离子自由通过，所以必须选择阳离子交换膜。

微生物的选择：

微生物种类繁多，至少有十万种以上。

按其结构、化学组成及生活习性等差异可分成三大类。

一、真核细胞型微生物细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网、核糖体及线粒体等）。

真菌属于此类型微生物。

二、原核细胞型微生物细胞核分化程度低，仅有原始核质，没有核膜与核仁；细胞器不很完善。

这类微生物种类众多，有细菌、螺旋体、支原体、立克次体、衣原体和放线菌。

三、非细胞型微生物没有典型的细胞结构，亦无产生能量的酶系统，只能在活细胞内生长繁殖。

病毒属于此类型微生物。

由于微生物和光能联合制氢技术是在厌氧情况下，所以应该选择厌氧微生物。

根据工程学教授BruceE.Logan和ShaoanCheng等人的研究，古细菌是比较适合。

古细菌又称古核生物或称原细菌，是一些生长在极端特殊环境中的细菌，过去根据其内部构造没有核膜、具环状DNA结构以及细胞产能、细胞分裂、新陈代谢等生活方式与原核细胞相似，将古细菌归入原核生物。

、

微生物的培养：

由于古细菌存在极端环境下，我们可以采用江河底泥作为样本进行筛选，也可以直接使用江河底泥做为培养基。

厌氧菌在有氧的情况下不能生长。

要培养厌氧菌，必须创造一个无氧的环境。

通常用培养基中加入还原剂，或用物理、化学方法去除环境中的游离氧，以降低氧化还原电势。

如疱肉培养基、硫基乙酸钠培养基，牛心脑浸液培养基等。

常用的厌氧培养方法有许多，可根据实际情况选用（由于是厌氧型的，参照厌氧菌的培养方法）。

内阻和产氢效率的关系：

利用微生物和光能联合制氢装置的内阻来自很多方面，分别是电极，电解液。

内阻的大小又直接影响着产氢效率。

由于电解液的极性容易影响微生物的生长，所以电解液极性不能太强。

因此电解液存在最大极性，即有最小电阻。

故电极电阻大小情况直接影响着产氢效率。

图6：

内阻来源

利用微生物和光能联合制氢技术未来展望：

生物能源具有了传统能源没有的价值，不论是它的含量还是对环境的影响，这样一种利用纯天然微生物自身的发酵产生的能源的燃烧产生的气体对地球的环境影响将比传统能源的影响小很多，而且由于地球上的微生物资源的数量巨大繁衍速度快，这些能源的源泉的保证使人类不用担心它会迅速的枯竭。

所有这些能源科技会在未来某一天成为现实，这多亏了地球上的最小的生物-微生物孜孜不倦地工作。

微生物能源转化是在类似科技中最快速的一种方法。

在众多的微生物能源科技当中，微生物是用原始的有机物制造燃料的，也就是靠把存储在大量生物当中的化学能量氢气的形式释放出来。

利用微生物和光能联合制氢技术把微生物和光能紧紧结合在一起，理论上是可以克服单一微生物制氢的不足，有利于提高制氢效率。

但是由于现在各方面技术不成熟，和本人的研究时间以及参考文献的限制，所以目前的微生物和光能联合制氢技术还处在萌芽期，也存在很多问题有待解决，有待于各位的探索与发现。

参考文献：

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化学工业出版社

出版时间：

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<<燃料电池基础>>作　　者：

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电子工业出版社出版时间：

2007-10-1

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化学工业出版社出版时间：

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<<制氢储氢技术>>作　　者：

丁福臣，易玉峰编著出版社：

化学工业出版社

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2006-1-1

<<太阳能光伏发电技术——可再生能源丛书>>作　　者：

沈辉，曾祖勤主编出版社：

化学工业出版社出版时间：

2005-9-1

<<生物科学生物技术系列--工业微生物学（岑沛霖）（二版）>>作　　者：

岑沛霖，蔡谨编著

出版社：

化学工业出版社出版时间：

2008-9-1

<<微生物学实验（第4版）>>作　　者：

沈萍，陈向东　主编出版社：

高等教育出版社

出版时间：

2007-11-1

<<燃料电池——原理·技术·应用>>作　　者：

衣宝廉著出版社：

化学工业出版社

出版时间：

2003-8-1

<<质子交换膜燃料电池第5部分：

膜电极测试方法>>作　　者：

本社编著

出版社：

中国标准出版社出版时间：

2009-8-1

<<太阳能电池基础与应用>>作　　者：

熊绍珍，朱美芳　主编出版社：

科学出版社

出版时间：

2009-10-1

<<微生物学（第二版）>>作　　者：

诸葛健，李华钟　主编出版社：

科学出版社出版时间：

2009-9-1