CN101764241A - 一种藻类阴极双室微生物燃料电池及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种藻类阴极双室微生物燃料电池及其应用，属于生物电池领域。双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，两室中装有电解液，阳极室接种厌氧污泥；阴极室接种蓝藻，光源辐照。本发明将藻类悬浮在阴极电解液中，藻类的生物量远大于只将其附着在电极上，这样能够利用其光合作用，放出更多氧气。本发明在处理阳极废水的功能的同时，还能够对富营养化水体中大量的蓝藻等直接加以利用，大大降低了其处理成本，无需前处理，具备良好的经济效益及应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及了一种微生物燃料电池及其应用，更具体的说是一种藻类阴极双室微生物燃料电池及其应用。
背景技术
随着世界范围内的工业发展和人口增长，能源危机日趋严重。现有的发电方式，如燃煤、水力、风能、太阳能以及核能发电等，都存在着难以克服的弊端，如矿藏量减少、产电连续性以及电能的收集困难等。
目前，微生物燃料电池(microbial fuel cell)代表了最新的发电方式-利用细菌氧化有机物产电。其工作原理是利用微生物(产电菌)的催化作用，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种生物电化学装置。附着在电池阳极的微生物氧化有机物质，放出质子和电子；电子通过外电路传递至阴极，质子通过质子交换膜传递至阴极；电池阴极的电子受体接受电子，完成整个产电过程。
微生物燃料电池的用途主要有：海底自动发电、生物修复、生物传感器和废水处理。其中，废水处理是公认的微生物燃料电池最有前途的应用领域。
虽然各国的研究者对微生物燃料电池在运行机理和构型等方面都进行了研究，但是还存在一些未能解决的问题，如：阴极反应速率的提高等。微生物燃料电池中最常见的阴极电子受体为空气中的氧气，阴极发生的化学反应为：1/2 O2+2H++2e-→H2O。阴极反应速率是微生物燃料电池产电的主要限制因素，阴极功能的优化对于电池性能的提高最为关键。在没有外加氧化剂存在时，由于自然通气状态下供氧不足，阴极发生的还原反应速率较低，导致产电性能较差。为解决这一问题，通常采用曝气或者加入催化剂来加速阴极反应，但同时也增加了电池的制造及运行成本。
随着工业的发展和人民生活水平的提高，全球范围的水体富营养化现象日趋严重。自然界的水体发生富营养化后，水中蓝藻等的处理也是一个非常棘手的问题。各种传统的蓝藻处理方法：如制肥料、饲料、沼气以及氢气等，都需要较高的成本，且面临着原料不稳定等多种技术障碍，因而需要寻求更为简便而经济的再利用途径。
已有研究者将蓝藻应用于微生物燃料电池的阳极，协助产电过程。
专利CN 101330156A公开了一种将蓝藻水与葡萄糖混合液为进水的沉积型微生物燃料电池，实现产电。在该发明中，蓝藻以自身的有机物质作为碳源，通过产电微生物将其分解，放出电子，实现产电。此沉积型微生物燃料电池在稳定状态下，功率密度均低于3mW/m2。
专利CN 101409355A公开了一种将藻类和光合细菌接入阳极的微生物燃料电池。该发明中，藻类和光合细菌通过在阳极光解水，放出电子和质子，与阴极的电子受体铁氰化钾结合，完成产电过程。基于该原理，为使光解水产生的电子有效传递至阴极，需要将藻类进行固定在电极上。其阳极需要预先加入培养皿中进行藻类富集，形成成熟的生物膜，经历一个预处理过程。
发明内容
1.发明解决的技术问题
为解决微生物燃料电池中阴极对产电限制的问题，本发明提供了一种藻类阴极双室微生物燃料电池及其应用，将富营养化水体中的蓝藻等直接加入双室微生物燃料电池阴极，使得生物燃料电池行使产电功能的同时，蓝藻等也可以得到有效的利用。
2.技术方案
本发明的原理：将富营养化水体中的蓝藻等直接加入双室微生物燃料电池阴极，基于藻类的光合作用，以其构建阴极半电池，放出氧气，与通过外电路来自阳极的电子结合生成水，协助完成整个产电过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，两室中装有电解液，阳极室接种厌氧污泥；阴极室接种蓝藻，光源辐照。
在双室微生物燃料电池中，以厌氧污泥为阳极室接种，行使氧化有机物的功能，放出电子、质子及CO2；以蓝藻等为阴极室接种，行使放出氧气的功能，作为电子受体。采用日光灯作为光源，促进电池阴极藻类的光合作用，促使其放出氧气。在光照条件下，阴极室中的藻类进行光合反应：CO2+H2O→CH2O+O2。其中，CO2的来源有两个途径：一部分是空气中的CO2(阴极室与大气相通)；另一部分是阳极室内有机物质氧化产生的CO2通过膜扩散至阴极室。经过光合放氧，与不加入藻类时相比，阴极的供氧量提高，推动阴极化学反应1/2O2+2H++2e-→H2O速度加快，能够对阳极传递至阴极的质子、电子进行更为有效的利用，提高整个电池的产电能力。省去了以O2为电子受体时常采用的外加曝气，节省能耗。同时，将藻类悬浮在阴极电解液中，藻类的生物量远大于只将其附着在电极上，这样能够利用其光合作用，放出更多氧气。
本发明方法尤适用于：投加藻类后的阴极液中，悬浮藻类的叶绿素含量在0.5-1.5mg/L，以1mg/L为最佳。
3.有益效果
本发明一种藻类阴极双室微生物燃料电池及其应用，第一次将富营养化水体中的蓝藻等直接加入双室微生物燃料电池阴极，本发明在处理阳极废水的功能的同时，还能够对富营养化水体中大量的蓝藻等直接加以利用，大大降低了其处理成本，无需前处理，具备良好的经济效益及应用前景。
附图说明
图1为电池结构示意图。其中：1-挡板 2-阳极 3-阳极室 4-质子交换膜5-阴极室 6-阴极
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
双室微生物燃料电池，以有机玻璃材料制成，挡板1与电极室由螺栓铆接。阳极室3和阴极室5容积分别为300ml，电极材料均采用石墨毡，两个极室之间以质子交换膜分隔。阳极室3密封，阴极室5与外界大气相通。阳极2、阴极6、质子交换膜4的面积均为50cm2。阴极室5采用磷酸盐缓冲液作为电极液。阳极以厌氧颗粒污泥接种，以乙酸钠配制模拟废水或加入实际废水，初始COD为1000mg/L；阴极直接加入藻类。电池外接可变电阻箱以及万用表，用以记录产电情况。外加光源，促进藻类的光合作用。
在电池启动后，达到连续两个产电周期的电压峰值相同时，视为进入稳定产电期。以下具体实施例的双室微生物燃料电池均为如上所述的。
实施例1
双室微生物燃料电池的阳极室3中以厌氧颗粒污泥接种，使产电菌附着于阳极2上。向阳极室3、阴极室5加入电极液(含有NaH2PO4.2H2O 5.6g/L、Na2HPO4.12H2O 6.07g/L、NH4Cl 310mg/L、KCl 130mg/L及微量元素)。以乙酸钠为模拟废水碳源，加入阳极室3中，使初始COD为1000mg/L。将富营养化湖泊中的藻样(主要含微囊藻及小球藻)加入阴极室5，使阴极室5的电极液中悬浮藻类叶绿素含量为1mg/L。光照强度为2000lx。在稳定产电期中，电池在外加1000Ω电阻上的最大电压降为221mV，功率密度9.77mW/m2。阳极COD降解率可达100％。
实施例2
双室微生物燃料电池的阳极室3中以厌氧颗粒污泥接种，使产电菌附着于阳极2上。向阳极室3、阴极室5加入电极液(含有NaH2PO4.2H2O 5.6g/L、Na2HPO4.12H2O 6.07g/L、NH4Cl 310mg/L、KCl 130mg/L及微量元素)。以乙酸钠为模拟废水碳源，加入阳极室3中，使初始COD为1000mg/L。将微囊藻悬浮液加入阴极室5，使阴极室5的电极液中悬浮微囊藻叶绿素含量为1mg/L。光照强度为2000lx。在稳定产电期中，电池在外加1000Ω电阻上的最大电压降为199mV，功率密度7.92mW/m2。阳极COD降解率可达100％。
实施例3
双室微生物燃料电池的阳极室3中以厌氧颗粒污泥接种，使产电菌附着于阳极2上。向阳极室3、阴极室5加入电极液(含有NaH2PO4.2H2O 5.6g/L、Na2HPO4.12H2O 6.07g/L、NH4Cl 310mg/L、KCl 130mg/L及微量元素)。以乙酸钠为模拟废水碳源，加入阳极室3中，使初始COD为1000mg/L。将小球藻悬浮液加入阴极室5，使阴极室5的电极液中悬浮小球藻叶绿素含量为1mg/L。光照强度为2000lx。在稳定产电期中，电池在外加1000Ω电阻上的最大电压降为208mV，功率密度8.65mW/m2。阳极COD降解率可达100％。
实施例4
双室微生物燃料电池的阳极室3中以厌氧颗粒污泥接种，使产电菌附着于阳极2上。向阳极室3中加入生活废水，初始COD为1000mg/L。向阴极室5加入电极液(含有NaH2PO4.2H2O 5.6g/L、Na2HPO4.12H2O 6.07g/L、NH4Cl 310mg/L、KCl 130mg/L)。将富营养化湖泊中的藻样(主要含微囊藻及小球藻)加入阴极室5，使阴极室5的电极液中悬浮藻类叶绿素含量为1mg/L。光照强度为2000lx。在稳定产电期中，电池在外加1000Ω电阻上的最大电压降为217mV，功率密度9.42mW/m2。阳极COD降解率可达91％。
实施例5
双室微生物燃料电池的阳极室3中以厌氧颗粒污泥接种，使产电菌附着于阳极2上。向阳极室3中加入食品废水，初始COD为1000mg/L。向阴极室5加入电极液(含有NaH2PO4.2H2O 5.6g/L、Na2HPO4.12H2O 6.07g/L、NH4Cl 310mg/L、KCl 130mg/L)。将富营养化湖泊中的藻样(主要含微囊藻及小球藻)加入阴极室5，使阴极室5的电极液中悬浮藻类叶绿素含量为1mg/L。光照强度为2000lx。在稳定产电期中，电池在外加1000Ω电阻上的最大电压降为233mV，功率密度10.95mW/m2。阳极COD降解率可达94％。
Claims (6)
1.一种藻类阴极双室微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，两室中装有电解液，其特征在于：阳极室接种厌氧污泥；阴极室接种蓝藻等藻类，光源辐照。
2.根据权利要求1所述的双室微生物燃料电池，其特征在于阳极室密封。
3.根据权利要求2所述的双室微生物燃料电池，其特征在于所述的蓝藻等藻类的叶绿素含量为0.5～1.5mg/L。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的双室微生物燃料电池，其特征在于所述的电极室中的电极材料为石墨毡。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的双室微生物燃料电池，其特征在于所述的电解液是磷酸盐缓冲液。
6.藻类阴极双室微生物燃料电池在处理废水中的应用。
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