專利名稱：一種a/o式無膜生物陰極微生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電化學能源技術領域，具體涉及一種用于有機物發(fā)電的微生物燃料電池。
背景技術：
全球經(jīng)濟快速發(fā)展，全球化的能源短缺問題日益嚴重，致使全世界不顧環(huán)境污染問題，大力開發(fā)能源，由此引起的環(huán)境問題已經(jīng)與當代的可持續(xù)發(fā)展相違背了，給社會的發(fā)展帶來沉重的負擔。因此，一方面需要尋求新的清潔能源取代一次性能源，另一方面需要開發(fā)新的技術從廢水中回收能源以降低廢水的處理費用。一般的，微生物燃料電池是一種能夠?qū)⒂袡C物中的化學能在微生物的作用下直接轉化為電能的裝置。作為高效催化劑，微生物能夠?qū)⒂袡C物氧化，并將氧化過程釋放出來的電子轉移到電極材料上，進而以電流的形式從外電路輸出。微生物的生長環(huán)境必須是厭氧，這樣才能保證最終電子受體是電極而不是氧氣，否則電子將直接參與氧氣的化學還原生成水。如果將有機廢水作為微生物燃料電池(MFC)陽極的底物，廢水中的有機物也同樣能夠被微生物降解，這樣便完成了有機物的氧化分解和電流轉化。傳統(tǒng)的微生物燃料電池(MFC)由一個陽極室和一個陰極室組成，兩極室之間通過質(zhì)子交換膜(PEM)相隔。以經(jīng)典的雙室微生物燃料電池(MFC)為例，其主要原理是以陽極微生物作為催化劑氧化底物(如葡萄糖、乙酸鈉等)，產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳。電子通過介體傳遞到陽極(負極)極板，并通過外電路負載到達陰極(正極)，質(zhì)子通過PEM由陽極到達陰極，氧化劑(以O2為例)在陰極得到電子而被還原，從而形成回路，產(chǎn)生電流，陽極半反應和陰極半反應分別為陽極半反應C6H1206+6H20— 6C02+24H++24e- E0 = O. 014V陰極半反應602+24H++24e-— 12H20E0 = I. 23V理論上，每氧化Imol的葡萄糖可以產(chǎn)生I. 216V的電壓。微生物燃料電池(MFC)發(fā)電主要是經(jīng)歷以下四個步驟(I)、陽極在生物催化劑作用下將有機物質(zhì)氧化；(2)、電子通過生物自身所產(chǎn)生的中介體、納米導線或者是具有電化學活性的氧化還原酶轉移到電極上，同時質(zhì)子從陽極轉移到陰極；(3)、電子由外電路傳遞；
(4)、陰極氧化物還原。在微生物燃料電池(MFC)系統(tǒng)中，可以使用液態(tài)鐵氰化鉀或高錳酸鉀對陰極進行優(yōu)化，但是這些液態(tài)的電子受體由于需要再生不適合實際應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決傳統(tǒng)的微生物燃料電池(MFC)由一個陽極室和一個陰極室組成，兩極室之間通過質(zhì)子交換膜(PEM)相隔，需要添加重金屬催化材料和電子傳遞介體，由此導致微生物燃料電池(MFC)的構建和運行成本高，同時，液態(tài)的電子受體由于需要再生而不適合實際應用的問題，提供一種A/0式無膜生物陰極微生物燃料電池。本發(fā)明的一種A/0式無膜生物陰極微生物燃料電池包括陰極室、陽極室、篩孔板、閥門、陽極碳棒、陰極碳棒、銅導線、空氣泵、曝氣頭和顆?；钚蕴迹帢O室為錐筒形，陰極室的上端直徑大于下端直徑，陰極室的上端為敞口端，陰極室的上部側壁上設有出液口，陰極室的底部設有排放口，閥門安裝在排放口處，陽極室為圓筒形，陽極室設置在陰極室內(nèi)中心部位，陽極室的頂部設有進液口，陽極室的下端側壁上沿圓周均勻鉆有兩排傳遞孔，陽極室內(nèi)裝有顆粒活性碳，陽極室內(nèi)的顆粒活性碳作為電池陽極的陽極區(qū)，陽極碳棒的一端插入陽極區(qū)內(nèi)，篩孔板設置在陰極室與陽極室之間，篩孔板的下端面與陽極室的底面之間的距離為8cm 12cm，陰極室內(nèi)位于篩孔板上面裝有顆?；钚蕴迹Y孔板上面的顆?；钚蕴甲鳛殡姵仃帢O的陰極區(qū)，陰極碳棒的一端插入陰極區(qū)內(nèi)，陽極碳棒的另一端與陰極碳棒的另一端通過銅導線連接，曝氣頭設置在陰極區(qū)的底部，曝氣頭通過管路與空氣泵連接。本發(fā)明包含以下有益效果一、本發(fā)明不采用厭氧污泥接種，而是利用厭氧好氧(A/0)工藝連續(xù)流處理，即利用反應器采用直接進生活污水，對生活污水中的自然混合菌群進行培養(yǎng)馴化，形成自然接種污泥接種，操作時，陽極室保持厭氧條件，陰極室由空氣泵曝氣，利用蠕動泵2. 8ml/L通過進液口連續(xù)進水，運行溫度維持在室溫25°C左右，待反應器運行過程中能獲得穩(wěn)定的電壓輸出后，啟動完成。本發(fā)明利用傳遞孔2-2取代昂貴的質(zhì)子交換膜完成離子的傳導，在經(jīng)濟上也為實際應用提供了可行性，加之陽極采用造價很低的普通的顆粒碳，在很大程度上降低了 MFC的基礎造價，經(jīng)濟上具有極大的優(yōu)越性。因此，本發(fā)明為無膜生物陰極微生物燃料電池，更適用于污水處理的實際應用。相比之下，采用微生物作為陰極催化劑，不須添加重金屬催化材料和電子傳遞介體，可以顯著降低MFC的構建和運行成本，增強MFC運行的穩(wěn)定性。二、本發(fā)明利用陰極微生物的代謝作用還可以去除水中的多種污染物。三、本發(fā)明為污水處理同步產(chǎn)電的A/0式無膜生物陰極微生物燃料電池，連續(xù)流的厭氧好氧處理過程可充分利用污水進行大規(guī)模發(fā)電，取得污水處理同步產(chǎn)電的效果。


圖I是本發(fā)明的一種A/0式無膜生物陰極微生物燃料電池的整體主剖視圖；圖2是電池反應器主剖視圖；圖3是圖2的俯視圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖I 圖3說明本實施方式，本實施方式包括陰極室I、陽極室2、篩孔板3、閥門4、陽極碳棒5、陰極碳棒6、銅導線7、空氣泵8、曝氣頭9和顆?；钚蕴?0，陰極室I為錐筒形，陰極室I的上端直徑大于下端直徑，陰極室I的上端為敞口端，陰極室I的上部側壁上設有出液口 1-1，陰極室I的底部設有排放口 1-2，閥門4安裝在排放口1-2處，陽極室2為圓筒形，陽極室2設置在陰極室I內(nèi)中心部位，陽極室2的頂部設有進液口 2-1，陽極室2的下端側壁上沿圓周均勻鉆有兩排傳遞孔2-2，傳遞孔2-2用于質(zhì)子和離子在陰極室I與陽極室2之間傳遞，陽極室2內(nèi)裝有顆?；钚蕴?0，陽極室2內(nèi)的顆粒活性碳10作為電池陽極的陽極區(qū)，陽極區(qū)的溶液體積為850mL，陽極碳棒5的一端插入陽極區(qū)內(nèi)，陽極碳棒5為陽極電極，其材質(zhì)為石墨，陽極碳棒5將陽極區(qū)內(nèi)電子導出，篩孔板3設置在陰極室I與陽極室2之間，篩孔板3的下端面與陽極室2的底面之間的距離h為8cm 12cm,陰極室I內(nèi)位于篩孔板3上面裝有顆?；钚蕴?0，篩孔板3上面的顆?；钚蕴?0作為電池陰極的陰極區(qū)，陰極區(qū)的溶液體積為3100ml，陰極碳棒6的一端插入陰極區(qū)內(nèi)，陰極碳棒6為陰極電極,其材質(zhì)為石墨,石墨棒作為陰極電極,陽極碳棒5的另一端與陰極碳棒6的另一端通過銅導線7連接，將陽極碳棒5和陰極碳棒6用銅導線7連接組成電路。曝氣頭9設置在陰極區(qū)的底部，曝氣頭9通過管路與空氣泵8連接。陰極室I和陽極室2由有機玻璃制成，陰極室I和陽極室2構成電池反應器。本發(fā)明的工作原理含有大量有機碳污染的廢水由進液口 2-1進入到陽極室2中，陽極室2的陽極區(qū)上附著有大量的產(chǎn)電微生物，廢水流經(jīng)陽極室2的過程中，產(chǎn)電微生物會消耗廢水中的有機碳作為自己生長和代謝的原料，將有機碳轉化為自身的物質(zhì)或者是CO2,起到了去除有機碳污染的作用，在代謝的同時，會產(chǎn)生電子傳遞給陽極碳棒5，產(chǎn)生質(zhì)子釋放到陽極液中，電子通過銅導線7到達陰極室I的陰極區(qū)，而陽極室2內(nèi)的質(zhì)子會隨著污水 從傳遞孔2-2流進陰極區(qū)，污水中的質(zhì)子會與陰極碳棒6上的電子、水中的溶氧在微生物的作用下進行反應，空氣由空氣泵8經(jīng)曝氣頭11注入陰極液中，保證陰極室I中的溶解氧的充足，同時，陰極區(qū)也會有大量的耗氧微生物的生長，而這些耗氧微生物的生長和代謝會進一步消耗污水中的有機物，從而使有機污染物被第二次去除，最后，經(jīng)過陽極和陰極的兩步處理，水中的有機污染物被去除，并且會產(chǎn)生一定量的電能，可以供給用電器運行。在整個運行過程中，可以對陽極的污水指標進行在線測定，或者是采集水樣進行離線測定，以檢測陽極室中的污水的各項指標和微生物的情況，而由于陰極室I是敞開式，也可以安裝在線測定傳感器進行各項參數(shù)測定或者是采集水樣進行測定。運行處理階段，根據(jù)處理效果，改變運行參數(shù)。
具體實施方式
二、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的傳遞孔2-2的直徑為
5.0mm。陽極區(qū)污水反應后產(chǎn)生的離子和質(zhì)子在水流的作用下從傳遞孔2-2中遷移至陰極區(qū)。其它組成及連接關系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的顆粒活性碳10的顆粒直徑為5mm。其它組成及連接關系與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的陽極碳棒5的直徑為lcm、長為30cm,所述陰極碳棒6的直徑為Icm,長為20cm。其它組成及連接關系與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的篩孔板3的下端面與陽極室2的底面之間的距離h為10cm。其它組成及連接關系與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的陽極室2的內(nèi)徑為9cm，高為23cm。其它組成及連接關系與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的陰極室I的上端開口內(nèi)徑為25cm，陰極室I的下底內(nèi)徑為14cm、陰極室I的總高H為24cm。其它組成及連接關系與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
八、結合圖I說明本實施方式，本實施方式的篩孔板3上的篩孔孔徑為5. 0mm。其它組成及連接關系與具體實施方式
四相同。
權利要求
1.一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述微生物燃料電池包括陰極室(I)、陽極室(2)、篩孔板(3)、閥門(4)、陽極碳棒(5)、陰極碳棒(6)、銅導線(7)、空氣泵(8)、曝氣頭(9)和顆?；钚蕴?10)，陰極室(I)為錐筒形，陰極室(I)的上端直徑大于下端直徑，陰極室(I)的上端為敞口端，陰極室(I)的上部側壁上設有出液口(1-1)，陰極室(1)的底部設有排放口(1-2)，閥門⑷安裝在排放口(1-2)處，陽極室(2)為圓筒形，陽極室(2)設置在陰極室(I)內(nèi)中心部位，陽極室(2)的頂部設有進液口(2-1)，陽極室(2)的下端側壁上沿圓周均勻鉆有兩排傳遞孔(2-2)，陽極室(2)內(nèi)裝有顆粒活性碳(10)，陽極室(2)內(nèi)的顆粒活性碳(10)作為電池陽極的陽極區(qū)，陽極碳棒(5)的一端插入陽極區(qū)內(nèi)，篩孔板(3)設置在陰極室(I)與陽極室(2)之間，篩孔板(3)的下端面與陽極室(2)的底面之間的距離(h)為8cm 12cm，陰極室⑴內(nèi)位于篩孔板(3)上面裝有顆粒活性碳(10)，篩孔板(3)上面的顆?；钚蕴?10)作為電池陰極的陰極區(qū)，陰極碳棒(6)的一端插入陰極區(qū)內(nèi)，石墨棒作為陰極電極，陽極碳棒(5)的另一端與陰極碳棒(6)的另一端通過銅導線(7)連接，曝氣頭(9)設置在陰極區(qū)的底部，曝氣頭(9)通過管路與空氣泵(8)連接。
2.根據(jù)權利要求I所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述傳遞孔(2-2)的直徑為5. 0_。
3.根據(jù)權利要求I或2所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述顆?；钚蕴?10的顆粒直徑為5mm。
4.根據(jù)權利要求3所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述陽極碳棒(5)的直徑為1cm、長為30cm,所述陰極碳棒(6)的直徑為1cm、長為20cm。
5.根據(jù)權利要求4所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述篩孔板⑶的下端面與陽極室⑵的底面之間的距離(h)為10cm。
6.根據(jù)權利要求4所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述陽極室⑵的內(nèi)徑為9cm、高為23cm。
7.根據(jù)權利要求4所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述陰極室(I)的上端開口內(nèi)徑為25cm，陰極室(I)的下底內(nèi)徑為14cm、陰極室(I)的總高(H)為 24cm。
8.根據(jù)權利要求4所述一種A/Ο式無膜生物陰極微生物燃料電池，其特征在于所述篩孔板(3)上的篩孔孔徑為5. 0mm。
全文摘要
一種A/O式無膜生物陰極微生物燃料電池，它涉及一種電化學能源領域，以解決傳統(tǒng)的微生物燃料電池的陽極室和陰極室之間通過質(zhì)子交換膜相隔，需要添加重金屬催化材料和電子傳遞介體，導致微生物燃料電池的構建和運行成本高，不適合實際應用的問題。陽極室設置在陰極室內(nèi)中心部位，陽極室的下端側壁上沿圓周均勻鉆有兩排傳遞孔，陽極室內(nèi)裝有顆?；钚蕴?，陽極碳棒的一端插入陽極區(qū)內(nèi)，篩孔板的下端面與陽極室的底面之間的距離為10cm，篩孔板上面裝有顆粒活性碳，陰極碳棒的一端插入陰極區(qū)內(nèi)，陽極碳棒的另一端與陰極碳棒的另一端通過銅導線連接，曝氣頭設置在陰極區(qū)的底部并通過管路與空氣泵連接。本發(fā)明用于微生物發(fā)電或污水處理同步產(chǎn)電。
文檔編號C02F3/30GK102780021SQ20121026902
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者吳偉杰, 張國棟, 王琨, 趙慶良 申請人:哈爾濱工業(yè)大學