CN100405655C - 一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池 - Google Patents
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Abstract
一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池，属于微生物燃料电池技术领域。为了更加经济合理地在去除废水中有机物的同时产生电能，本发明公开了一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池，包括内部装有有机废水和厌氧微生物的阳极池，位于阳极池内部的阳极，以及固定于阳极池开口端的阴极；阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，细菌新陈代谢时，氧化废水中的有机物夺得电子并产生质子，电子通过阳极、外电路到达阴极，同时质子也到达阴极，阴极外侧直接与空气接触，空气中的氧气可自然扩散到阴极内侧，与质子、电子结合生成水。本发明无须外加动力来提高阴极表面的氧气含量，无须投加电子转移介体，并且阳极池无需氮气吹脱就能很好的维持厌氧状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以在去除废水中有机物的同时，获得电能的装置，属于微生物燃料电池技术领域。
背景技术
微生物燃料电池是利用微生物将有机物质转变为电能的装置。目前大多的微生物燃料电池都是双池式的，包括阳极池和阴极池，两池间由质子交换膜隔开，在处于厌氧状态的阳极池中，微生物将基质氧化产生电子，电子首先被传递到阳极上，然后通过外电路到达阴极，同时质子透过质子交换膜传递到阴极；在高溶解氧的阴极池中，氧气、质子和电子结合生成水。
由于微生物细胞含有不导电物质，因此电子难以从正常的微生物电子传递链透过细胞膜传递到电极，解决这一问题的主要方法是向阴极室中加入氧化还原分子作为电子转移介体，但这些介体通常是有毒化合物并且价格较高，如将这种燃料电池应用于实际的废水处理并不经济。
近几年，研究人员发现，电子可以直接穿透某些还原铁细菌的细胞膜到达电极表面，不需要外加介体就能够获得较好的产电及有机物去除效果，研究显示在大多数废水处理装置中均含有这类铁还原细菌，并且在微生物燃料电池中这些细菌可以被富集培养起来。
在金炳弘等人的专利(公开日为2002年8月14日，公开号为CN1364146A)中的生物燃料电池就是双池式的燃料电池，虽然该燃料电池不需要添加电子转移介体，但是为了维持阳极池的厌氧和阴极池的高溶解氧状态，需要不断的向阳极池通入氮气，向阴极池通入氧气，加大了电池的运行成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的微生物燃料电池，可以更加经济合理地在去除废水中有机物的同时产生电能。
根据本发明，上述目的可以通过无电子转移介体的单池式微生物电池来实现。本发明的技术方案如下：
一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池，其特征在于：所述单池式微生物电池包括内部装有有机废水和厌氧微生物的阳极池，位于所述阳极池内部的阳极，以及固定于所述阳极池开口端的阴极；所述阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境；所述阴极的外侧直接与空气接触，空气中的氧气自由扩散到达所述阴极内侧。
上述方案的一种改进为：所述微生物电池还包括热压于所述阴极内侧表面的质子交换膜。
本发明所述的单池式微生物电池，无须外加动力来提高阴极表面的氧气含量，无须投加电子转移介体，并且与空气隔绝的阳极池无需氮气吹脱就能够很好的维持厌氧状态。利用本发明所述的微生物电池可以更加经济地去除废水中的有机物同时获得电能。
附图说明
图1为本发明所述的微生物电池的第一个实施例的示意图。
图2为本发明所述的微生物电池的第二个实施例的示意图。
图3为利用本发明的第一个实施例处理有机废水的运行结果。
图4为利用本发明的第二个实施例处理有机废水的运行结果。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的各实施例及其工作过程。
如图1所示，本发明第一个实施例所述的单池式微生物电池包括内部装有有机废水和厌氧微生物的阳极池1，位于所述阳极池内部的阳极2，以及固定于所述阳极池1开口端的阴极3；所述阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境；所述阴极的外侧直接与空气接触，空气中的氧气自由扩散到达所述阴极内侧。
所述的阳极池1的一端封闭，另一端开口。位于阳极池1内部的阳极2可以设置在靠近封闭端一侧；固定于阳极池1开口端的阴极3将阳极池1的开口端封闭。阳极2可由碳布制成，也可以使用碳纸、碳棒或表面粗糙的钢板；阴极3可由碳布制成，含有Pt催化剂。
另外，在所述阳极池1中还设有进水口5和出水口6。进水口5可以设置在阳极池1侧壁的下部靠近阳极池1的封闭端，出水口6可以设置在阳极池1顶部靠近阳极池1的开口端。当然所述进水口5和出水口6的位置可以根据需要灵活设置，以满足不同的需求。
上述单池式微生物电池的工作过程如下：在阳极池1中加入厌氧细菌，含有有机物的废水由进水口5流入阳极池，处理后的废水由出水口6流出阳极池。附着在阳极2上的细菌新陈代谢时，氧化废水中有机物夺得电子并生成质子，所夺得的电子从微生物转移到阳极2上，电子通过外电路到达阴极3，同时生成的质子也到达阴极3，空气中的氧气通过自由扩散穿过阴极3到达阴极3的内侧表面上，质子、电子和氧气结合生成水。在获得电能的同时，由于微生物的分解代谢而使得废水中的有机物浓度降低，并且由于微生物的不断繁衍具有电化学活性的细菌可以在电极表面被富集培养起来。
利用本发明第一个实施例所述的单池式微生物电池处理淀粉废水，外电路电压最高达到了660mV，最大功率为271mW/m2，COD去除率达到了73％，见图3。利用该发明的单极室生物燃料电池可以在获得电流的同时去除了废水中的有机物。
如图2所示，本发明第二个实施例所述的单池式微生物电池与第一个实施例相比，还包括热压于阴极内侧表面的质子交换膜4。其工作方式与第一个实施例中所述基本相同，不同之处在于：生成的质子首先要穿过质子交换膜4，然后到达阴极3的内侧表面。质子交换膜的存在可以有效的阻止氧气由阴极3的内侧表面扩散到阳极池1中，更好的维持阳极池中的厌氧状态。
利用本发明第二个实施例所述的单池式微生物电池处理葡萄糖自配水，外电路电压最高达到474mV，最大功率为140mW/m2，总电量40.3库伦，化学需氧量从909降到了444，见图4。
Claims (3)
1.一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池，其特征在于：所述单池式微生物电池包括内部装有有机废水和厌氧微生物的阳极池，位于所述阳极池内部的阳极，固定于所述阳极池开口端的阴极以及热压于阴极内侧表面的质子交换膜；所述阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境；所述阴极的外侧直接与空气接触，空气中的氧气自由扩散到达所述阴极内侧。
2.根据权利要求1所述的单池式微生物电池，其特征在于：所述阳极采用碳布。
3.根据权利要求1所述的单池式微生物电池，其特征在于：所述阴极采用碳布。
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