8环境替代材料解析.pptx

8 8环境替代材料环境替代材料 目前逐渐使用的环境替代材料目前逐渐使用的环境替代材料 （1)新型环保型制冷剂材料新型环保型制冷剂材料:替代氟里昂替代氟里昂 (2)无磷洗涤剂无磷洗涤剂:代替三聚磷酸钠代替三聚磷酸钠 （3）石墨：代替工业石棉）石墨：代替工业石棉 （4）竹、木等天然材料：替代环境负荷）竹、木等天然材料：替代环境负荷较大的结构材料等。较大的结构材料等。（5）能源的新材料：太阳能材料、燃料）能源的新材料：太阳能材料、燃料电池等。电池等。8.18.1新型环保制冷剂材料新型环保制冷剂材料 传统制冷剂传统制冷剂：氟氯烃（：氟氯烃（CFCsCFCs）及其相关）及其相关化学物质化学物质 应用应用：化工、制冷、家用电器、汽车空调、：化工、制冷、家用电器、汽车空调、消防、医药、化妆品、清洗等行业。消防、医药、化妆品、清洗等行业。危害危害：2020世纪世纪7070年代，人们发现氟氯烃年代，人们发现氟氯烃是破坏大气臭氧层的是破坏大气臭氧层的“元凶元凶”，并预期对，并预期对全球生态环境将产生严重影响。全球生态环境将产生严重影响。在地球上，离地面在地球上，离地面151550km50km的大气的大气平流平流层中，层中，集中了地球上集中了地球上90%90%的臭氧气体，的臭氧气体，臭氧层是由氧分子吸臭氧层是由氧分子吸收了太阳及宇宙射线中的收了太阳及宇宙射线中的紫外线紫外线而产生的。而产生的。0 03 3的生成反应：的生成反应：0 03 3的消耗反应：的消耗反应：太阳紫外线辐射的天然屏障太阳紫外线辐射的天然屏障 图图8-2 8-2 氯原子对臭氧层的破坏机理氯原子对臭氧层的破坏机理图图8-1 8-1 氟氯烃在紫外线作用下释放氯原子氟氯烃在紫外线作用下释放氯原子 氟氯烃除了耗损臭氧外，还是一种氟氯烃除了耗损臭氧外，还是一种“温室气体温室气体”图图8-4 8-4 温室效应示意图温室效应示意图 氟氯烃的排放量远不及氟氯烃的排放量远不及COCO2 2（COCO2 2每年排每年排放量约为放量约为260260亿亿t t）多，但由于氟氯烃的大气）多，但由于氟氯烃的大气寿命长（寿命长（CFC-12CFC-12在大气中的寿命达在大气中的寿命达100100年以年以上上），它对全球气候变暖的贡献值仍然是可），它对全球气候变暖的贡献值仍然是可观的。根据测算，在观的。根据测算，在2020世纪世纪8080年代，大气中年代，大气中COCO2 2和氟氯烃对全球变暖的贡献值分别为和氟氯烃对全球变暖的贡献值分别为70%70%与与30%30%。在氟里昂中，在氟里昂中，CFCsCFCs、哈龙和四氯化碳对臭氧破、哈龙和四氯化碳对臭氧破坏力最强，坏力最强，HCFCsHCFCs的破坏力较弱，而的破坏力较弱，而HFCsHFCs类物质对臭类物质对臭氧层则无破坏作用，因此被氧层则无破坏作用，因此被用作用作CFCsCFCs的替代物的替代物。目前替代目前替代CFCCFC的物质（新型环保制冷剂）的物质（新型环保制冷剂）（1 1）目前替代）目前替代CFCCFC的物质主要有的物质主要有HCFCHCFC（含氢氯氟（含氢氯氟烃）和烃）和HFCHFC（氢氟烃）两大类。（氢氟烃）两大类。由于氢原子的存在，由于氢原子的存在，HFCHFC和和HCFCHCFC将在大气中被氧将在大气中被氧化，生成含氧产物，这些产物进一步降解，大部分化，生成含氧产物，这些产物进一步降解，大部分成为水溶性物质，它们将随降雨而消失。一般认为成为水溶性物质，它们将随降雨而消失。一般认为降解过程是在降解过程是在对流层对流层进行，进行，HCFCHCFC和和HFCHFC很难到达很难到达平流平流层，所以与层，所以与CFCCFC相比，对臭氧层破坏的可能性较小。相比，对臭氧层破坏的可能性较小。表表8-3 8-3 常用天然制冷剂的物理性能常用天然制冷剂的物理性能制冷剂名制冷剂名称称化学式化学式标准沸点标准沸点/分子量分子量汽化潜热汽化潜热/（kJ.kgkJ.kg）标态密度标态密度/（kg/mkg/m3 3）氨氨水水甲醇甲醇乙醇乙醇乙胺乙胺甲醛甲醛二氧化硫二氧化硫氯氯三氧化硫三氧化硫二氧化氮二氧化氮甲胺甲胺溴溴R-22R-22NHNH3 3H H2 2O OCHCH3 3OHOHC C2 2H H5 5OHOHC C2 2H H5 5N NHCHOHCHOSOSO2 2ClCl2 2SOSO3 3NONO2 2CHCH3 3NHNH2 2BrBr2 2CHClFCHClF2 2-34-34100100656579795757-19-19-10-10-34-3445452121-7-75959141417171818323246464343303046467171808046463131160160868613681368958958791791789789833833768768605605288288508508415415836836189189235235681681216321638728726656656216218158158838831563156317801780144714477037033119311914091409（2 2）天然制冷剂）天然制冷剂CO2制冷剂被重新研究，具有优点：制冷剂被重新研究，具有优点：（1 1）无毒，不会分解产生有毒物质，不破坏臭）无毒，不会分解产生有毒物质，不破坏臭氧层，不需要回收或再处理。氧层，不需要回收或再处理。（2 2）不燃烧、爆炸。）不燃烧、爆炸。（3 3）极佳的热力学性质。较高的热导率与等压）极佳的热力学性质。较高的热导率与等压比热（比热（CpCp）、较小的动力黏度、较高的蒸汽密度、较小）、较小的动力黏度、较高的蒸汽密度、较小的密度比、较小的表面张力系数。的密度比、较小的表面张力系数。（4 4）气体密度高，单位容积制冷量高，是）气体密度高，单位容积制冷量高，是HCFC-HCFC-2222的的5 5倍，因此可降低使用的管道与压缩机尺寸，而使倍，因此可降低使用的管道与压缩机尺寸，而使系统质量减轻、结构紧凑、体积小。系统质量减轻、结构紧凑、体积小。（5 5）来源广泛，成本极低。）来源广泛，成本极低。但由于但由于CO2CO2具有跨临界的热力学特性，在设计上还具有跨临界的热力学特性，在设计上还存在许多技术问题，主要是临界温度低，因此能效较低，存在许多技术问题，主要是临界温度低，因此能效较低，而且它是一种高压制冷剂，系统的压力比现有的制冷剂而且它是一种高压制冷剂，系统的压力比现有的制冷剂高很多，在技术上尚有许多待解决的问题。高很多，在技术上尚有许多待解决的问题。（3）固体吸附式制冷）固体吸附式制冷 传统的制冷为传统的制冷为吸收式吸收式制冷，制冷，吸附式吸附式制冷原理与其十制冷原理与其十分相近。但吸收式制冷的吸收剂一般为流动性良好的液分相近。但吸收式制冷的吸收剂一般为流动性良好的液体介质，而吸附式制冷需用组成体介质，而吸附式制冷需用组成吸附剂吸附剂-吸附质（在制吸附质（在制冷系统称为制冷剂）工质对，才能发挥作用。冷系统称为制冷剂）工质对，才能发挥作用。工业上采用的物理吸附剂工业上采用的物理吸附剂大致有沸石、活性炭和大致有沸石、活性炭和硅胶、活性氧化铝和活性炭纤维等一些多孔性物质。硅胶、活性氧化铝和活性炭纤维等一些多孔性物质。工业上采用的化学吸附剂工业上采用的化学吸附剂:以氯化钙、氯化锶为最佳。以氯化钙、氯化锶为最佳。固体吸附制冷剂种类：固体吸附制冷剂种类：磁制冷、超声波制冷、固体吸附制冷磁制冷、超声波制冷、固体吸附制冷 吸附式制冷吸附式制冷/热泵系统中的常用工质对有热泵系统中的常用工质对有:分子筛（沸石）分子筛（沸石）-水水活性炭活性炭-甲醇甲醇活性炭活性炭-氨氨硅胶硅胶-水水氯化钙氯化钙-氨氨氯化锶氯化锶-氨氨沸石沸石-水水太阳能冰箱太阳能冰箱 利用性能：沸石具有的利用性能：沸石具有的脱水脱水-吸水作用：吸水作用：当干燥的沸石从环境中当干燥的沸石从环境中吸附水分子时，释吸附水分子时，释放出热量放出热量，而当吸附了水的沸石被加热时，而当吸附了水的沸石被加热时释释放其中的水分的同时吸收热量放其中的水分的同时吸收热量，并使沸石变，并使沸石变得干燥。得干燥。沸石再吸水会再次释放出热量，因此可沸石再吸水会再次释放出热量，因此可利用沸石的脱水利用沸石的脱水-吸水反应来储存和释放热能。吸水反应来储存和释放热能。图图8-5 8-5 美国美国ZeopowerZeopower公司公司沸石太阳能冰箱示意图沸石太阳能冰箱示意图贮藏桶贮藏桶-蒸发器蒸发器太阳沸石板太阳沸石板贮藏桶贮藏桶-蒸发器蒸发器贮藏桶贮藏桶-蒸发器蒸发器贮藏桶贮藏桶-蒸发器蒸发器太阳沸石板太阳沸石板容积容积9L9L的蒸发器能产生的蒸发器能产生3kg3kg冰冰 8.28.2洗涤剂助剂代用品洗涤剂助剂代用品 合成洗涤剂配方的必要组分是表面活性合成洗涤剂配方的必要组分是表面活性剂。表面活性剂成分中以剂。表面活性剂成分中以烷基苯磺酸钠烷基苯磺酸钠为主，为主，其耐其耐硬水硬水性能差，若不配合使水软化的助剂，性能差，若不配合使水软化的助剂，则其去污能力很低。传统的助剂大多采用三则其去污能力很低。传统的助剂大多采用三聚磷酸钠（聚磷酸钠（NaNa5 5P P3 3O O1010，简称，简称STPPSTPP）。）。目前市场上出现的比较成熟的磷酸盐替代物，目前市场上出现的比较成熟的磷酸盐替代物，分为分为无机替代助剂无机替代助剂和和有机替代助剂有机替代助剂。表表8-4 8-4 几种几种有机替代磷助剂有机替代磷助剂的性能比较的性能比较有机替代磷助有机替代磷助剂剂优优 点点缺点缺点用途用途螯螯合合型型乙二胺四乙二胺四乙酸二钠乙酸二钠对对pHpH值适应面宽；良好的螯合金属离值适应面宽；良好的螯合金属离子的能力，对镁离子的螯合能力子的能力，对镁离子的螯合能力6.4g/100g6.4g/100g，对钙的螯合能力，对钙的螯合能力10.5g/100g10.5g/100g价格太价格太高，生高，生物降解物降解性较差性较差一般不用于一般不用于家庭洗涤剂家庭洗涤剂配方中配方中柠檬酸钠柠檬酸钠具有一定的螯合能力，但相对较低。具有一定的螯合能力，但相对较低。对钙的螯合能力对钙的螯合能力0.2g/100g0.2g/100g。去污力。去污力优于三聚磷酸钠，易溶于水，无毒，优于三聚磷酸钠，易溶于水，无毒，易生物降解易生物降解价格较价格较贵贵适用于餐具适用于餐具洗涤剂及高洗涤剂及高档液体洗涤档液体洗涤剂中剂中离离子子交交换换型型聚丙烯酸、聚丙烯酸、马来酸与马来酸与丙烯酸的丙烯酸的共聚物共聚物对炭黑的分散力优于三聚磷酸钠，相对炭黑的分散力优于三聚磷酸钠，相对分子质量大，水溶性好对分子质量大，水溶性好生物降生物降解性较解性较差，易差，易吸潮吸潮用于粉状洗用于粉状洗涤剂涤剂 无机代磷助剂无机代磷助剂：最有代表性的物质：最有代表性的物质是是沸石沸石，外观为白色粉末，外观为白色粉末.在洗涤剂助剂领域有应用价值的有在洗涤剂助剂领域有应用价值的有A A型、型、P P型、型、X X型型等少数几种，其中对钙离等少数几种，其中对钙离子的螯合能力最强，最常用的是子的螯合能力最强，最常用的是4A4A沸石沸石（NaANaA沸石）。沸石）。图图6.4 A6.4 A型沸石型沸石(NaA)(NaA)的晶体结构。的晶体结构。A A型沸石化学式型沸石化学式为：为：NaNa2 2O.AlO.Al2 2O O3 3.2SiO.2SiO2 2.4.5H.4.5H2 2O O。笼是氧原子和阳离子围成的笼是氧原子和阳离子围成的空腔空腔，它的，它的最大尺寸是最大尺寸是6.66.6 笼的最大尺寸约笼的最大尺寸约11.411.4 ，孔口的自由直径为孔口的自由直径为4.24.2左右。左右。表表8-5 NaA8-5 NaA沸石与沸石与STPPSTPP助洗性能比较助洗性能比较 NaA NaA沸石沸石 STPP STPP、对二价和多价金属离子具有、对二价和多价金属离子具有离子离子交换作用交换作用。据测定，它的理论钙交换。据测定，它的理论钙交换容量是容量是260mgCaCO260mgCaCO3 3/g/g、对二价和多价金属离子、对二价和多价金属离子具有具有络合作用络合作用。据测定，它。据测定，它的理论钙交换容量是的理论钙交换容量是158mgCaCO158mgCaCO3 3/g/g、对污垢分子具有强烈的吸附作用、对污垢分子具有强烈的吸附作用、对污垢分子具有分散、对污垢分子具有分散、乳化、胶溶作用乳化、胶溶作用、在溶液中呈悬浮状态。但由于其、在溶液中呈悬浮状态。但由于其表面电性的存在，不会吸附在织物上表面电性的存在，不会吸附在织物上、在溶液中呈溶解状态、在溶液中呈溶解状态、呈碱性缓冲反应、呈碱性缓冲反应、呈碱性缓冲反应、呈碱性缓冲反应NaANaA沸石与沸石与STPPSTPP助洗效果相同，但它们的助洗机理是不同助洗效果相同，但它们的助洗机理是不同 STPPSTPP的硬水软化过程为：的硬水软化过程为：4A4A沸石的硬水软化过程为：沸石的硬水软化过程为：4A4A沸石软化硬水的影响因素：沸石软化硬水的影响因素：（1 1）4A4A沸石粒度沸石粒度：最适宜的粒度为：最适宜的粒度为1 110um10um。4A4A沸沸石本身不溶于水，粒径过大，易堵塞洗衣机和下水管石本身不溶于水，粒径过大，易堵塞洗衣机和下水管道，并使衣物和洗衣机内桶受到磨损，因此它的质量道，并使衣物和洗衣机内桶受到磨损，因此它的质量指标之一就是保证特定的尺寸分布和晶体形貌（无棱指标之一就是保证特定的尺寸分布和晶体形貌（无棱角，最好是类球型的）角，最好是类球型的）（2 2）交换温度交换温度：20206060 （3 3）溶液的溶液的pHpH值值：9 91111。4A4A沸石与沸石与MgMg2+2+的交换能力较差，因水合的交换能力较差，因水合MgMg2+2+的直径的直径比比4A4A沸石的孔径大。但当沸石的孔径大。但当4A4A沸石中的沸石中的NaNa+被被CaCa2+2+交换交换1/31/3以后，由于阳离子数目减少，位置空出，以后，由于阳离子数目减少，位置空出，4A4A沸石孔径沸石孔径变大到变大到5A5A左右，这时对左右，这时对MgMg2+2+的去除能力相应增强。的去除能力相应增强。表表8-6 8-6 无磷洗衣粉的典型配方无磷洗衣粉的典型配方/%/%组分组分欧洲欧洲美国美国东亚东亚备注备注表面活性剂表面活性剂8 812128 822221818洗涤剂中洗涤剂中其它成分其它成分未列入未列入沸石沸石20202525181824242020聚合羧酸盐聚合羧酸盐3 35 54 4硅酸盐硅酸盐4 48 8101015153 3碳酸盐碳酸盐101020201212 4A 4A沸石与活性物质没有明显的协同作用，沸石与活性物质没有明显的协同作用，因此要与其他助剂因此要与其他助剂复配使用复配使用。表表8-7 8-7 几种合成几种合成NaANaA沸石的主要方法比较沸石的主要方法比较合成合成方法方法 所需原料所需原料 主要工艺过程主要工艺过程特特 点点化工化工原料原料法法水玻璃、水玻璃、AlAl2 2O O3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3、NaOHNaOHAlAl2 2O O3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3NaOHNaOH铝酸钠铝酸钠铝酸钠水玻璃铝酸钠水玻璃NaANaA型型沸石沸石成本高、质量好成本高、质量好且易控制、流程且易控制、流程简单简单活性活性白土白土法法膨润土（浮石、膨润土（浮石、珍珠岩、硅藻土）珍珠岩、硅藻土）、酸、酸、AlAl2 2O O3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3、NaOHNaOH膨润土酸膨润土酸活性硅酸活性硅酸AlAl2 2O O3 3或或Al(OH)Al(OH)3 3NaOHNaOH铝酸钠铝酸钠铝酸钠活性硅酸铝酸钠活性硅酸NaANaA型沸石型沸石原料成本高、设原料成本高、设备要求耐腐蚀、备要求耐腐蚀、质量易控制质量易控制高岭高岭土法土法高岭土（煤矸石）、高岭土（煤矸石）、NaOHNaOH高岭土高岭土NaOHNaOH NaANaA型沸型沸石石成本最低，工艺成本最低，工艺简单，但对原料简单，但对原料要求高要求高8.3传统塑料代用品：微生物塑料传统塑料代用品：微生物塑料 以石油为原料制造的塑料，应用范围很广，以石油为原料制造的塑料，应用范围很广，从家用器皿、建筑构件、汽车外壳到军用品，都可从家用器皿、建筑构件、汽车外壳到军用品，都可用塑料制作。但塑料的化学性质十分稳定，在自然用塑料制作。但塑料的化学性质十分稳定，在自然条件下大部分不易降解。条件下大部分不易降解。随着塑料用途的不断扩大和消费量的日益增随着塑料用途的不断扩大和消费量的日益增长，长，农用塑料和包装用塑料以及各种塑料制品农用塑料和包装用塑料以及各种塑料制品的废的废弃物己成为全球性严重污染源之一，形成弃物己成为全球性严重污染源之一，形成“白色污白色污染染”这一全球性的严重问题。于是，人们在研究解这一全球性的严重问题。于是，人们在研究解决废旧塑料回收利用技术的同时，代替传统塑料的决废旧塑料回收利用技术的同时，代替传统塑料的可降解塑料可降解塑料也成为全世界的一个研究热点。也成为全世界的一个研究热点。可降解塑料：可降解塑料：是指是指在自然界在自然界，即在空气中、，即在空气中、江河湖海内、土壤里受各种自然条件影响而江河湖海内、土壤里受各种自然条件影响而在在较短时间内能自行降解较短时间内能自行降解的塑料。的塑料。可降解塑料可降解塑料生物降解塑料：能被微生物作用而消化降解。生物降解塑料：能被微生物作用而消化降解。光降解塑料：能被阳光尤其是紫外光源降解光降解塑料：能被阳光尤其是紫外光源降解 （1 1）淀粉型生物降解塑料淀粉型生物降解塑料：将玉米、大米、马铃薯、：将玉米、大米、马铃薯、谷物等类淀粉经憎水化表面处理后和聚合物共混或接谷物等类淀粉经憎水化表面处理后和聚合物共混或接枝到聚合物分子链上形成的。枝到聚合物分子链上形成的。这类塑料的生物降解可以分为两个阶段：这类塑料的生物降解可以分为两个阶段：一是聚合物一是聚合物中以粒子形式存在的中以粒子形式存在的淀粉淀粉受到微生物受到微生物如细菌和霉菌的侵蚀，如细菌和霉菌的侵蚀，减弱了聚合物的结构基体减弱了聚合物的结构基体，形，形成多孔状态，从而大大增加了塑料的表面积，促进微成多孔状态，从而大大增加了塑料的表面积，促进微生物对塑料的降解作用。生物对塑料的降解作用。二是聚合物中二是聚合物中添加的添加的自动氧化剂自动氧化剂与土壤、水或海与土壤、水或海水的金属盐相接触而水的金属盐相接触而生成过氧化物，引发高分子断链生成过氧化物，引发高分子断链。降解形成的低聚物因而变成低分子物易被微生物吞噬。降解形成的低聚物因而变成低分子物易被微生物吞噬。生物降解塑料，按组成分：生物降解塑料，按组成分：淀粉型和结构型两类淀粉型和结构型两类 (2)(2)结构型生物降解塑料结构型生物降解塑料:指聚合物分子指聚合物分子可作为微生物的可作为微生物的“食物食物”，能够直接被微生，能够直接被微生物消化吸收。物消化吸收。按来源分类按来源分类合成的生物降解塑料合成的生物降解塑料，如聚乙烯醇等水溶，如聚乙烯醇等水溶性高的分子可被微生物降解，降解速度快，性高的分子可被微生物降解，降解速度快，降解彻底。降解彻底。天然高分子聚合物天然高分子聚合物，如以纤维素为原料合成，如以纤维素为原料合成的树脂和的树脂和微生物合成的聚合物微生物合成的聚合物如微生物合成如微生物合成的的PHBPHB，即聚，即聚3-3-羟基丁酸等。羟基丁酸等。自然界存在的许多微生物能产生在自自然界存在的许多微生物能产生在自然环境中易完全降解、性质与塑料相似的然环境中易完全降解、性质与塑料相似的聚酯，如聚聚酯，如聚-羟丁酸，即甲基侧链聚羟羟丁酸，即甲基侧链聚羟基丁酯（基丁酯（PHBPHB）、聚羟基烷（）、聚羟基烷（PHAPHA）和乙基）和乙基侧链聚羟基戊酯（侧链聚羟基戊酯（PHVPHV）等，）等，用微生物产生用微生物产生的这类聚酯生产的塑料的这类聚酯生产的塑料，可生产完全生物，可生产完全生物降解塑料，这类塑料就称为降解塑料，这类塑料就称为微生物塑料微生物塑料。R R为正烷基侧链，范围从甲基至壬为正烷基侧链，范围从甲基至壬基基 ，n n一般大于一般大于10106 6PHBPHB：聚聚-羟基丁酸羟基丁酸 PHAsPHAs表表8-8 PHB8-8 PHB和聚丙烯（和聚丙烯（PPPP）的性质比较）的性质比较性质性质PPPPPHBPHB熔点熔点T Tm m/玻璃态温度玻璃态温度T TR R/结晶度结晶度/%/%密度密度/（g/cmg/cm3 3）分子量分子量M MW W（1010-5-5）分子量分布分子量分布弯曲模量弯曲模量/GPa/GPa抗张强度抗张强度/GPa/GPa断裂伸长断裂伸长/%/%抗紫外线照射抗紫外线照射抗溶剂抗溶剂透氧率透氧率/（cmcm3 3/m/m2 2atmatmd d）生物降解性生物降解性171171186186-15-15656570700.9050.9050.9040.9042.22.27 75 512121.71.73939400400差差好好17001700不可降解不可降解17117182825 51010656580801.231.231.251.251 18 82.22.23 33.53.54 440406 68 8好好差差4545可降解可降解 PHAs PHAs这类热塑性聚酯能纺丝、压膜或注塑，这类热塑性聚酯能纺丝、压膜或注塑，主要应用：主要应用：在工业上可用作各类包装材料等，如各种容在工业上可用作各类包装材料等，如各种容器、瓶、袋和薄膜等包装材料器、瓶、袋和薄膜等包装材料 在医疗方面可作外科缝线、骨骼代用品或骨在医疗方面可作外科缝线、骨骼代用品或骨板，术后无需取出。或用作易板，术后无需取出。或用作易被污染的食品包装被污染的食品包装材料、尿布、医院物品以及妇女卫生用品材料、尿布、医院物品以及妇女卫生用品 除作为塑料外，还用于化学合成光学活性物除作为塑料外，还用于化学合成光学活性物质的手性前体，特别是合成药物和昆虫信息素。质的手性前体，特别是合成药物和昆虫信息素。8.48.4其他替代材料：微生物功能材料其他替代材料：微生物功能材料生物计算机的光开关、储存器等生物计算机的光开关、储存器等微生物电子器件材料：代替硅半导体微生物电子器件材料：代替硅半导体生物计算机：代替电子计算机生物计算机：代替电子计算机微生物传感器：代替化学、物理传感器微生物传感器：代替化学、物理传感器微生物电池：代替燃料电池。微生物电池：代替燃料电池。生生物物大大分分子子蛋蛋白白质质、核核酸酸、多多糖糖、脂脂类类等等具具有有广广泛泛而而各各式式各各样样的的功功能能，如如能能量量转转换换、信信息息处处理理、分分子子识识别别、抗抗辐辐射射、抗抗氧化、自我组装和自我修复等功能。氧化、自我组装和自我修复等功能。微微生生物物功功能能材材料料中中最最具具代代表表性性的的是是对对盐盐生生盐盐杆杆菌菌(Halobacterium(Halobacterium halobium)halobium)产产生生 的的 紫紫 膜膜 蛋蛋 白白 质质 细细 菌菌 视视 紫紫 红红 质质(Bacteriorhodopsin(Bacteriorhodopsin，bR)bR)的研究。的研究。(1)(1)生物计算机的光开关等生物计算机的光开关等 bRbR嗜盐菌培养条件：厌氧光嗜盐菌培养条件：厌氧光特点：细胞质膜中产生特点：细胞质膜中产生种种菌视紫素（紫膜）菌视紫素（紫膜）菌体：无色转变成红紫色。菌体：无色转变成红紫色。紫膜组成：紫膜组成：25%25%的脂类的脂类+75%75%的的蛋白质蛋白质菌视紫素菌视紫素的发色团通常以一的发色团通常以一种种全全-反式反式(all trains)(all trains)结构存结构存在于膜内侧，它可被激发并随在于膜内侧，它可被激发并随着光吸收暂时转换成着光吸收暂时转换成顺式顺式(Cis(Cis form)form)状态。状态。变构现象：生物计算机的光开关、储存器等。变构现象：生物计算机的光开关、储存器等。微生物电子器件材料微生物电子器件材料 硅半导体硅半导体（2 2）生物计算机）生物计算机 用用生生物物大大分分子子作作元元件件制制造造的的计计算算机机叫叫生生物物计计算机算机，或称为分子计算机。，或称为分子计算机。DNADNA计算机：一种全新概念的计算机，计算机：一种全新概念的计算机，其原理与现用的电子计算机原理有很其原理与现用的电子计算机原理有很大差别，与大差别，与bRbR等有机大分子制造计算等有机大分子制造计算机的原理不同。机的原理不同。生物计算机生物计算机bRbR分分子子计计算算机机：当当前前研研究究得得最最多多、最深人的，原理与现有计算机类似最深人的，原理与现有计算机类似相当于存储的数据相当于存储的数据运算结果运算结果运算过程运算过程DNADNA计算机工作原理：计算机工作原理：(3)(3)微生物传感器微生物传感器传感器传感器：测定某种物质含量的一种仪器。：测定某种物质含量的一种仪器。组成组成主要有：敏感元件主要有：敏感元件 转换器件转换器件 电子线路电子线路 相应的机械设备及附件。相应的机械设备及附件。微生物传感器微生物传感器的敏感元件：的敏感元件：固定化的固定化的微生物细胞微生物细胞按敏感元件的不同，分物理传感器、按敏感元件的不同，分物理传感器、化学传感器、生物传感器三种类型。化学传感器、生物传感器三种类型。应用场合应用场合：可生物氧化的有机物可生物氧化的有机物如临床诊断、食品检测及发酵监控和产物分析、环境质量监测如临床诊断、食品检测及发酵监控和产物分析、环境质量监测 糖尿病、尿毒症、内糖尿病、尿毒症、内分泌亢进等疾病诊断分泌亢进等疾病诊断时测定血糖时测定血糖 谷氨酸、乳谷氨酸、乳酸、葡萄糖酸、葡萄糖 测定污水测定污水中的中的BOD BOD(4)(4)微生物电池微生物电池微生物电池分类：微生物电池分类：直直接接作作用用：微微生生物物同同化化底底物物时时的的初初期期和和中中间间产产物物常常富富含含电电子子，通通过过介介体体作作用用使使它它们们脱脱离离与与呼呼吸吸链链的的偶偶合合，转转而而直直接接与与电电极极发发生生生生物物电电化化学联系，构成微生物电池学联系，构成微生物电池间间接接作作用用：微微生生物物同同化化底底物物时时的的终终产产物物或或二二次次代代谢谢物物为为电电活活性性物物质质，如如氢氢、甲甲酸酸等等，这这类类物物质质继继而而与与电电极极作作用用，产产生生能能斯斯托托效效应应（Nernst effectNernst effect），构成微生物电池），构成微生物电池 目前微生物电池虽未达到实用化，但可能的利用领域有：目前微生物电池虽未达到实用化，但可能的利用领域有：由生由生物转换成效率高、价廉、长效的电能系统；物转换成效率高、价廉、长效的电能系统；利用废液、废物作燃料，利用废液、废物作燃料，用微生物电池净化环境，而且产生电能；用微生物电池净化环境，而且产生电能；以人的体液为燃料，做成体以人的体液为燃料，做成体内埋伏型的驱动电源内埋伏型的驱动电源-微生物电池成为新型的体内起搏器；微生物电池成为新型的体内起搏器；从转换能量从转换能量的微生物电池可以发展到应用转换信息的微生物电池，即作为介体微生的微生物电池可以发展到应用转换信息的微生物电池，即作为介体微生物传感器物传感器图图8-22 8-22 微生物电池的原理示意图微生物电池的原理示意图