2622离子交换

『壹』 微生物燃料电池研究中有哪些问题尚未解决

主要问题是成本和功率密度。

1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。
毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。
2 微生物燃料电池的工作原理
图1是典型的双室结构MFcs工作原理示意图，系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。根据微生物的性质，电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极．电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下。与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应。

图1 微生物燃料电池工作原理示意图
下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理，反应中氧气为电子受体，反应完成后葡萄糖完全被氧化。
阳极反应：
?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622
阴极反应：
?_6O2?24H?24e?12H2O
总反应：
C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料电池的应用现状
迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFCs性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。动力学制约的主要表现为活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率。内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFCs的内阻，这时得到的最大功率密度有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题。另一个重要制约因素为电子传递过程中的反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率。最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。另外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响。
当前针对微生物燃料电池主要研究其产电性能，同时由于其特殊的结构与原理，MFCs还有许多潜在应用领域，主要包括废水处理、电助产氢、传感器三方面。
3.1 废水处理
近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，在废水降解的同时产电。表3.1列举了目前MFCs用于废水处理的现状。

微生物燃料电池用于污水处理的例子

此外，微生物燃料电池处理废水具有诸多优点，还可与传统厌氧、好氧工艺相结合，达到更好的处理效果。

3.2 电助产氢
微生物燃料电池由于输出效率低，难以直接应用，而MFC电助产氢技术是较有前途的一种方式。其工作原理为：无氧条件下，对双室MFC阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用MFC系统产氢的目的。
微生物燃料电池电助产氢反应器的优点是阴极省略了MFC常用的电子受体——氢气，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了MFC技术的实际应用。
3.3 生物传感器
根据MFCs的工作原理，在一定浓度范围内，MFCs的电流(或电压)输出与阳极的基质浓度有线性关系，因此可开发基于MFCs的传感器，最典型的是BOD5快速检测。Lorenzo等以人工废水为燃料构建型BOD5传感器，该传感器输出功率与BOD5浓度有良好的线性关系，且有非常高的重复性和稳定性，可连续运行7个月。
除了作为BOD5传感器外，有研究者尝试利用MFC型的传感器通过对UAFB中发
酵液pH和沼气流速进行实时监测，实现对厌氧硝化过程动态变化的监测。还有研究者通过在MFCs的质子交换膜两侧添加2片微硅板作电流收集器，由电流变化来反映基质中的有毒化合物。这些研究都有助于扩大MFCs技术的应用领域。
4 微生物燃料电池技术发展前景
MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，该技术还没有实现真正的大规模实际应用。基于其产电性能的制约因素，今后的研究方向主要可归纳为以下几点。
(1)深入研究并完善MFCs的产电理论。MFCs产电理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFCs的实际应用。MFCs中产电微生物的生长代谢过程，产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点。
(2)筛选与培育高活性微生物。目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的，需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物。今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生。
(3)优化反应器的结构；5建议；微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分；(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物；(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，；MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起；力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多；7参考文献；[1]姜秀华.微生物电池技术研究[D].科技资讯；[2]张静，张宝

(3)优化反应器的结构。研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池，利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能。选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极。

5 建议
微生物燃料电池潜在的优点使研究者对其发展前景十分看好，但由于输出功率较低，限制了在生产生活中的应用。因此，建议研究者主要从以下三方面对MFCs做进一步研究：
(1)加强MFCs的机理研究，通过分析阳极微生物确定电子产生和传递机理，实现对高效产电微生物的筛选和改造。
(2)通过优化MFCs的结构、材料和运行方式等，提高电子传质速率，降低电压损失，提高MFCs产电性能。尝试MFCs的工程放大，实现实际应用。 6 结语
MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步，MFCs必将得到不断地推广和应用。与微生物燃料电池相比，燃料电池目前使用存在着成本仍偏高, 利用率不太高的缺点，所以微生物电池有着广阔的应用前景。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜
力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。研究微生物电池是一件造福人类的伟大举措，我们应该投入更多的人力和物力。

『贰』 余杭县的科教文卫

?民国时期，县内建有各类农业技术推广和科研机构8处。工业科研机构始建于1961年。1985年，县设有科学技术委员会、科学技术协会，并建有农业科学研究所、林业技术推广站、农业技术推广中心、枇杷科学研究所等4个农业专业研究机构及化工装备研究所、纺织机械研究所、离子交换树脂研究所、制冷机研究所、仪器仪表研究所等5个工业专业研究机构。县科协下设35个县级学(协)会，有会员1878人。逐步形成县、区、乡(镇)、村四级农业技术推广网络。
1949年，全县有各类科技人员42人。1985年全县取得各类职称的科技人员有1404人。 ?宋景德三年(1006年)始建余杭县学，崇宁间建书院。清光绪十六年(1890年)杭县塘栖建栖溪讲舍。三十一年，余杭县龟山书院改为高等小学堂，为县内最早的新学。至三十三年，县境内已有初、高等小学堂21所，学生682人。民国时期，县境内仍以初等教育为主。至1949年解放前夕，仅有简易师范学校2所，学生180人；中心国民学校66所，保国民学校281所，学生24，229人，教员888人。学龄儿童入学率，余杭县32.8%，杭县28.3%。
解放后，余杭以普及小学教育作为基础，发展中等专业教育和高等教育。1984年全县普及五年小学教育，学龄儿童入学率98.46%。1983年起，在良渚、乔司两地中学开设职业技术教育。后又设立电大、函大、刊大、自学考试等成人高等教育。
1985年全县有幼儿园24所，508班，在园幼儿1347人；各类小学510所，1617班，在校学生52，304人；中学61所，其中：完全中学11所，96班，在校学生4917人；初中50所，531班，在校学生27，945人。临平中学为省重点中学。另在11所中学附设22个职业班，开设21个专业，在校学生967人。有成人中等学校36所，58班，在校学生1217人；成人技术培训学校19所，29班，在校学生1039人；成人初等学校8所，9班，在校学生125人；电大分校1所，18班，在校学生1524人。已有7个乡镇建立成人教育中心。
1978～1985年，全县向高等院校输送新生1089人，向中等专业学校输送新生2622人。
1984年，全县12～40周岁少青壮年的非文盲率88.56%，达到基本无盲县的标准。 越剧
余杭素称文物之邦，是灿烂的良渚文化的发祥地，历来人文荟萃，名家辈出。但进入民国后，尤其是抗日战争后，文化事业发展缓慢。1949年解放前夕，县内仅有余杭、杭县民众教育馆两家群众文化机构，及一些说唱艺人自行组织的社团。
中华人民共和国成立后，在党和政府重视下，各项文化活动普遍开展。1985年4月，余杭县文学艺术工作者联合会建立，下设10个协会，有会员229人。年底，全县有文化馆1个，文化站55个。
1954年杭县组建县越剧团，1958年改称东风越剧团；余杭县越剧团建于1955年。1965年，改组为县越剧一、二团，1966年合并，1978年定名为余杭县越剧团。1980～1985年演出1085场次，观众60.03万人次。1980年演出古装剧《追鱼》，省电视台作了转播。?
1962年县曲艺协会成立，设评话和说唱2组。1978年成立余杭县曲艺队，有队员20余人。杭县艺人创作的传统评话《武松》改写成《武松演义》，由浙江人民出版社出版，累计印刷119万余册。
杭县、余杭县分别于1951年、1952年建成电影队。至1985年，全县有电影放映单位100个，电影院21个。
1950年两县文化馆建立，内设图书室。1951年，新华书店余杭支店成立。1985年有图书馆1个，藏书82，974册，其中古籍1276部，13，413册，年图书流通55，275册次，接待读者33，431人次。有区图书馆4个，乡村图书室468个，图书流通站50个，藏书43，733册。县新华书店5个门市部，1985年销售图书368.87万册。?1956年建县档案室，1961年建县档案馆，1984年新建档案馆舍1730平方米。1985年，馆藏资料69个全宗，24,829卷。 ?1950年8月，杭县建立收音站，为县内广播事业之始。余杭县于1953年设立城镇广播站。两县有线广播站建于1955年，开始播送自办节目。1985年全县有广播站56个，安装有线广播喇叭12.83万只。?
1960年11月，县广播站购进县内第一台电视机，1982年9月，百丈公社石竹园大队自筹资金，在孙家舍建立0.5瓦小功率的电视差转台，为县内第一座农民集资建造的电视差转台。.1985年2月，筹建余杭电视台，7月1日正式开播，使用DS—38频道，在临平山建造200多平方米机房，架设40米高的发射铁塔，发射功率为50瓦，电视覆盖率60%。至年底，全县建有电视差转台8座。 ?余杭自古名医辈出，医药事业源远流长。晚清以后，县境内中医师授祖传相袭成风，名医迭有所见，较著名的有永泰钱家兜姚氏内科、龙光桥黄氏眼科、七贤桥田氏妇科、土山坝傅氏喉科等，都为私人诊所。民国31年(1942年)，始设卫生院。1949年解放时，有卫生院2所、区卫生所3所。?解放后，余杭的卫生事业有了发展。至1985年，有综合性医院、专科医院7所，区卫生所5所，卫生防疫站、妇幼保健站、药品检验所、精神病防治站、卫生进修学校各1所，乡镇卫生院49所，村卫生室546所，厂矿、农场、学校卫生医务室77个，逐步建成县、区、乡三级医疗保健网。床位从1949年的30张增加到1397张，每千人口1.69张，卫生技术人员从1949年的26人增加到1694人，其中主治、主管医师39人。?
医疗设备逐年增加，医疗技术逐步发展，使医疗保健事业取得了一定的社会效益。50年代初就消灭了霍乱、天花。急性传染病年发病率由50年代的222.8/10万，下降到80年代的114.6/10万，病死率下降85.2%。白喉、斑疹伤寒、回归热、炭疽已先后控制和消灭。到1985年，32个乡镇消灭血吸虫病，占流行乡镇的67.4%。同年，丝虫病达到国家规定的基本消灭的标准；麻风病也达到浙江省规定的控制标准。新法接生工作，经浙江省验收为第一批新法接生合格县。全县人民的平均期望寿命达到70.82岁。 在余杭县西南，山因大涤洞前的洞霄宫出名。洞霄宫为中国道教“第三十六洞天”之一，历汉 唐至宋，久盛不衰。此间山连山，洞连洞，大涤山和洞霄宫实为一个整体。唐白元鉴有《大涤山》诗：“天坮绝顶山，仿佛翠微间。迹久苔纹碎，云深古木闲。”宋林逋《宿洞霄宫》诗：“大涤山相向，华阳路暗通。风霜唐碣朽，草木汉祠空。”元萨都剌《游洞霄宫》诗：“九锁山峰面面峰，层峦矗立碧霄中。烟去万壑时含雨，溪涧双流自吼风。”这里古迹名胜较多，洞霄宫内的“抚掌泉”和一些宋明清时期题字残碑，还依稀可辨。