環(huán)境生物燃料電池理論技術與應用

前言

　　世界范圍的氣候變化、糧食短缺和化石能源危機，促使人們高度重視化石燃料的來源和在這些化石能源生產(chǎn)和利用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。經(jīng)濟性燃料的來源直接關系到國家的能源安全，如何解決燃料使用過程中可能產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，也一直激發(fā)著全世界科學家、工程師和各界人士的創(chuàng)造熱情。目前環(huán)境污染控制技術很多，其中可以在消除環(huán)境污染的同時發(fā)電產(chǎn)能的生物燃料電池技術，被人們認為是未來解決環(huán)境和能源問題的重要途徑?！　∧壳埃鳛榄h(huán)境能源技術之一的環(huán)境生物燃料電池的研究發(fā)展迅速，從世界微生物燃料電池大會和世界電化學會議可以看出，美國、加拿大、日本和我國都投入了大量的資金資助其研究并推動其應用，全球的近百個研究小組在該領域工作，研究人員將目前最新的生物技術、納米技術和信息技術成果應用到生物燃料電池的研究領域，推動了環(huán)境污染控制生物燃料電池理論與技術的發(fā)展。在多年的研究與教學工作中，作者將在該領域搜集的資料和取得的成果加以整理，同時，將世界環(huán)境生物燃料電池領域的重要研究成果加以消化吸收，經(jīng)過系統(tǒng)化和理論化匯集成本書。環(huán)境生物燃料電池是一種綠色高效的發(fā)電產(chǎn)能裝置，它可以將生物光合作用轉化、儲存的生物質和氧化劑中的生物化學能轉化為電能或氫能，也可以將環(huán)境有機污染物質降解轉化為二氧化碳和電能。環(huán)境生物燃料電池領域是一個多學科交叉的新興學科。縱觀世界上許多與生物燃料電池相關的研究與實踐，生物燃料電池很有希望成為能源可持續(xù)利用的重要方法。為了推動環(huán)境生物燃料電池理論與技術的發(fā)展，本書較為系統(tǒng)地介紹了近年來國內(nèi)外環(huán)境污染控制生物燃料電池理論技術與應用的發(fā)展狀況和最新研究成果，環(huán)境生物燃料電池的設計、制作與組裝技術，以及利用高濃度污染物發(fā)酵來解決生物燃料電池原料來源的問題。全書共分為8章：第1章主要介紹了生物燃料電池的發(fā)展歷程、原理、特點與分類；第2章介紹了生物燃料電池的微生物學；第3章介紹了生物燃料電池所需要的酶學、酶的催化活性與評價技術；第4章介紹了生物燃料電池相關的電化學與熱力學問題；第5章介紹了生物燃料電池的傳質與擴散過程、多孔電極、電解質與膜材料；第6章介紹了微生物燃料電池的理論與技術；第7章介紹了酶催化燃料電池理論與技術；第8章介紹了耦合型生物燃料電池以及其在環(huán)境污染控制、污染物綠色資源化利用方面的研究進展和展望。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了用于環(huán)境污染控制的生物燃料電池理論及其近年來的應用發(fā)展狀況和最新研究成果。生物燃料電池是一種綠色高效的發(fā)電產(chǎn)能裝置，它可以將生物光合作用轉化、儲存的生物質和氧化劑中的生物化學能轉化為電能、氫能與各種其他有價值的化學品和生物品，也可以將環(huán)境有機污染物質降解轉化為二氧化碳和電能。隨著化石燃料來源的日益短缺，國家能源安全、經(jīng)濟性能源及燃料使用過程中帶來的環(huán)境污染控制問題，已經(jīng)成為世界關注的熱點問題。環(huán)境生物燃料電池技術可以在消除環(huán)境污染的同時發(fā)電產(chǎn)能，被認為是未來解決環(huán)境和能源問題的重要綠色途徑。    本書可供環(huán)境科學與工程、生物燃料電池和生物工程等相關專業(yè)的教師、研究人員與工程技術人員參考，也可作為相關專業(yè)本科生和研究生的參考用書。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  生物燃料電池的原理與定義  1.2  生物燃料電池的發(fā)展歷程  1.3  生物燃料電池的基本特點與分類  1.4  生物燃料電池在環(huán)境與環(huán)境污染控制中的價值與應用  參考文獻第2章  生物燃料電池的微生物學  2.1  概述  2.2  與生物燃料電池有關的微生物分類和研究方法  2.3  電池中常見細菌的形態(tài)結構與生理特點  2.4  電池中常見古菌的形態(tài)結構與生理特點  2.5  電池中常見藻類的形態(tài)結構與生理特點  2.6  微生物的篩選、優(yōu)化與保存  參考文獻第3章  生物燃料電池的酶學  3.1  酶生物燃料電池的原理與酶學的研究方法  3.2  酶的分類與命名  3.3  酶的空間結構與催化特性  3.4  酶的合成和DNA的關系  3.5  酶的制備與表征  3.6  酶催化活性的評價研究工具  參考文獻第4章  生物燃料電池的電化學與熱力學  4.1  生物燃料電池的電動勢問題  4.2  生物燃料電池與相關的電極和電極材料  4.3  生物燃料電池中的熱力學  4.4  生物燃料電池中生化反應過程與電動勢的關系  4.5  電化學催化與生物電化學催化  4.6  流場與雙極板的特性  4.7  生物燃料電池性能評價的常用電化學分析技術  參考文獻第5章  生物燃料電池中的傳質與擴散過程  5.1  生物燃料電池中的傳質與擴散過程的現(xiàn)代研究方法  5.2  生物燃料電池中的傳質與擴散過程  5.3  強化傳質與擴散材料的種類與制備  5.4  生物多孔電極、電解質與隔膜間的傳質擴散  5.5  傳質與擴散過程的數(shù)學模型  參考文獻第6章  微生物燃料電池的理論與技術  6.1  概述  6.2  直接微生物燃料電池的特點與種類  6.3  直接微生物燃料電池的電極與對微生物活化的影響  6.4  質子交換膜和非膜的直接微生物燃料電池  6.5  直接微生物燃料電池的流場與流體動力學  6.6  直接微生物燃料電池的介體與催化微生物  6.7  直接微生物燃料電池結構、設計與組裝  6.8  直接微生物燃料電池的運行與評價系統(tǒng)  6.9  微生物燃料電池的模型研究  6.10  微生物燃料電池的材料研究  6.11  微生物燃料電池的應用概況  6.12  水污染控制中的微生物燃料電池  6.13  生物質垃圾葡萄糖酵解細菌電池  6.14  纖維素生物燃料電池  6.15  生物質垃圾直接乙醇微生物燃料電池  6.16  微生物燃料電池的應用前景  參考文獻第7章  生物酶催化燃料電池理論與技術  7.1  生物酶催化燃料電池的原理與特點  7.2  酶催化燃料電池的研究歷程與主要進展  7.3  酶催化燃料電池的陽極催化氧化反應  7.4  酶催化燃料電池的陰極催化還原反應  7.5  酶催化燃料電池催化過程的蛋白質工程  7.6  酶催化燃料電池電子傳遞的電解質與電極  7.7  酶催化燃料電池合理化設計與集成  7.8  酶催化燃料電池的操作與評價  7.9  酶催化燃料電池的應用  參考文獻第8章  耦合型生物燃料電池  8.1  耦合型生物燃料電池的國內(nèi)外研究進展  8.2  污染控制過程的原理和特點  8.3  系統(tǒng)的生物催化反應動力學  8.4  過程燃料產(chǎn)物的分離與純化  8.5  耦合型生物燃料電池的電極、質子交換膜和電解質的問題  8.6  電子傳遞與電極反應  8.7  模型的建立與系統(tǒng)優(yōu)化  8.8  系統(tǒng)的結構、設計、組裝、操作與評價  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　目前，生物燃料電池在環(huán)境污染控制中的應用還十分有限，人們正在利用分子生物學技術，通過改變酶和微生物的結構與性能，有效地提高生物燃料電池的能量轉化效率。以酶為例，以往截面積為100nm2的單層酶，僅可以轉換每秒約500個電子，并產(chǎn)生約80μA／cm2的電能，隨著技術的進步，生物燃料電池的產(chǎn)電能力向可實際應用的10mA／cm2方向發(fā)展。另外，原來的生物燃料電池的電壓比其他氫氣空氣和甲醇I空氣燃料電池的低，在多數(shù)情況下的應用都要求燃料電池的輸出功率在10～100mw／C1T12的范圍內(nèi)，為了達到這一要求，通過微孔道化的微生物化學工程設計增加負載酶催化劑，保持催化劑的應用水平。生物燃料電池的電極通過化學修飾或分子生物學工具修飾來提高效率，使生物燃料電池能夠循環(huán)使用。　　為了增加生物燃料電池在環(huán)境污染控制方面的應用效率，改進電極和電解質界面上的電子轉移和生物化學反應效能也是研究的熱點。根據(jù)電能需求情況，以往對生物燃料電池的尺寸和幾何學特征考慮得較少，設計時應給出腔室空間位置值，還應深入研究電極尺寸和關鍵區(qū)域空間位置的確定方法；有關多孔隙電極材料的生物親和性的研究也在加強，多孔隙電極材料可以增加電極比表面積，如RVC和碳氈電極材料；人們對表面尺寸、孔徑大小、重量和電極室關系的計算還需要深入，多數(shù)設計數(shù)據(jù)只能通過試驗取得。在生物燃料電池的使用中酶系統(tǒng)的電極區(qū)域輸出功率和酶使用的周期性有一定關系，限制了電子傳遞系統(tǒng)，通過基因操作，可以定向的產(chǎn)生導電酶，來實現(xiàn)酶在負載電極上的高電流輸出?！　≡诃h(huán)境污染控制方面，微生物燃料電池將有較大的發(fā)展空間。在環(huán)境污染控制中使用的微生物燃料電池，體積一般較大，電極與電極室的空間位置的確定需要精確，連接微生物和電極的生物電化學反應還需要強化。微生物燃料電池空間結構的強化設計，將有助于其電流收集與輸出功率的提高。微生物燃料電池使用的燃料為污染物，針對性地研究其輸送和轉化過程，消除因為污染物負荷的增加而產(chǎn)生的發(fā)電能力的大幅度變動。在實際的微生物燃料電池應用系統(tǒng)中，發(fā)電微生物在微生物燃料電池中的生命演替規(guī)律，同樣影響發(fā)電效率，微生物的穩(wěn)定和自我更新，微生物的催化蛋白酶進化，對提高電流輸出功率都有作用?？疾?4h的微生物燃料電池生物的穩(wěn)定性，可以消除體系中的一些限制。此外，微生物燃料電池在非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)時轉化為穩(wěn)態(tài)的過程及生物燃料與微生物代謝的關系，也影響微生物燃料電池的發(fā)電效率與壽命。生物燃料、產(chǎn)物和它們的分離及在電極表面的黏附，都將影響微生物燃料電池在污染物控制方面的應用。

編輯推薦

　　本書較為系統(tǒng)地介紹了近年來國內(nèi)外環(huán)境污染控制生物燃料電池理論技術與應用的發(fā)展狀況和最新研究成果，環(huán)境生物燃料電池的設計、制作與組裝技術，以及利用高濃度污染物發(fā)酵來解決生物燃料電池原料來源的問題。全書共分為8章：第1章主要介紹了生物燃料電池的發(fā)展歷程、原理、特點與分類；第2章介紹了生物燃料電池的微生物學；第3章介紹了生物燃料電池所需要的酶學、酶的催化活性與評價技術；第4章介紹了生物燃料電池相關的電化學與熱力學問題；第5章介紹了生物燃料電池的傳質與擴散過程、多孔電極、電解質與膜材料；第6章介紹了微生物燃料電池的理論與技術；第7章介紹了酶催化燃料電池理論與技術；第8章介紹了耦合型生物燃料電池以及其在環(huán)境污染控制、污染物綠色資源化利用方面的研究進展和展望。

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