CN101908634A - 分体式无膜微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种采用分体式结构的新型微生物燃料电池装置，主要针对含有有机碳污染的污水的净化脱碳处理，并且同时产生电能。该装置有分开的阳极室和阴极室组成，阴极室和阳极室通过阀门直接相连。采用连续流动的方式，污水先经过阳极的脱碳处理，在进入阴极室经过耗氧脱碳处理，能够有效的对水中的有机碳进行去除，同时产生电能。而且，本装置避免了传统的微生物燃料电池中昂贵的选择性离子交换膜的使用，大大降低了微生物燃料电池的成本。本装置能够方便的阴、阳极室内的水样进行收集和测定。

Description

分体式无膜微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种有机污水净化并同时发电技术(装置)，主要针对含有有机污染物的污水的净化脱碳处理，通过此种技术(装置)，能够利用微生物分解掉污水中的有机污染物，并且产生一定量的电能，同时又避免了传统的微生物燃料电池对离子交换膜的使用，大大降低微生物燃料电池的成本。该种处理污水的工艺可以很方便的应用于先厌氧后好氧的污水处理工艺，无需增加新的装置，只需在原有的污水处理池中加入适当的电极，就能够在处理污水的同时完成电力的生产，能够方便的应用于富含有机碳污染物的污水处理。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用微生物在厌氧条件下的代谢，直接将溶解于水中的有机物中蕴含的化学能转化为电能的能源和污水处理装置。现阶段的微生物燃料电池主要由阴阳两极组成，由选择性离子交换膜(质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜)分隔开，阳极为还原反应，产生电子，阴极为氧化反应，消耗电子，阴阳两极通过外电路连接传递电子形成电流。阳极反应是MFC的主要反应，通过厌氧产电微生物的代谢作用，消耗阳极室中的有机污染物，产生电子、质子和氧化产物(如CO2)，电子通过外电路传递到阴极板，质子通过例子交换膜到达阴极，在阴极板上，电子、质子和最终电子受体(如O2)完成反应，是整个反应源源不断进行，表现在宏观上，就是外电路有电流通过。
微生物燃料电池技术有以下优点：首先，能够在处理有机废水的同时产生电能，同时缓解环境和能源危机，一举两得；第二，在生产电能的过程中不会产生二次污染，属于一种清洁能源；第三，由微生物直接完成能量装换，能量转换效率高；第四，能够利用的有机物种类多样，理论上只要能被微生物降解的有机物都可以作为微生物燃料电池产电的基质。
虽然微生物燃料电池技术具有这么多优点，但现阶段仍然处于研究阶段，还存在种种缺陷，尚未达到推广应用的程度。第一，其产生电流的机制尚不明确，这也就从根本上限制了其性能的提升；第二，产电能力低，单个电池的输出电压都小于1V，而且电压不稳定，很难加以利用；第三，阴、阳极室需要离子交换膜隔开以保证物质的按需传递，并且阴极一般需要贵金属铂作为催化剂，这就造成了构建电池的成本高昂，也就限制了它的应用。
现阶段，微生物燃料电池的产电机理的研究很难再短时间内取得突破性进展，而原理不明确，产点过程只能是一个黑箱或者是灰箱过程，也就很难使微生物燃料电池的产点性能有质的提高，也就是说，目前，对微生物燃料电池合理的应用方式为以污水处理为主，电能的产生只作为副产物，所以，尽量的降低其构建和运行成本才是加速此项技术推广应用的关键。
发明内容
针对以上提到的限制微生物燃料电池应用因素，本发明提供了一种新型的微生物燃料电池构造和运行方式，电池仍然由阳极室、阴极室和外电路构成，但是采用阴阳极分开的方式，无需选择性离子交换膜将阴极室和阳极室分隔开，而是采用连续流的方式完成阴阳极之间所需的物质交流，用以保证电池的正常运行。避免了选择性离子交换膜的使用，就省去了电池构造中很大的一部分成本。而且，有机污水先经过阳极厌氧处理，在经过阴极好氧处理的运行模式与目前的污水处理工艺相似，只要对现有的污水处理设备简单的改造，就能实现微生物燃料电池的应用，避免了改建的费用。
本发明由电池阳极和电池阴极构成，分别是两个分离的舱室。阳极室密封，以保证厌氧的工作条件，在一侧底部设有进液口，含有有机物的废水由此进入电池的阳极室，在与进液口相对一侧上部设有出液口，经过阳极处理的污水由此排出，在阳极室的顶部设有电极出口和水样采集口，电池的阳极为活性碳纤维或活性碳布，用于提供微生物附着的位点和接受微生物代谢产生的电子。电池的阴极为敞开的体系，以尽量增加液体与空气的接触面积以增加溶氧量，紧靠电池阳极，在一侧的底部设有进液口，阳极出水由此直接进入阴极，在与进液口相对一侧上部设有出液口，经过阴极处理的污水经由此流出，在底部设有曝气装置，向阴极液中鼓入空气，以保证阴极反应的顺利进行，在紧挨进液口的位置安装阴极板，阴极板为载有催化剂铂的碳纸。阴阳极板通过外电路连接，保证电子能够从阳极板流向阴极板。采样口用于收集水样进行测定。
含有有机污染物的废水，首先流入电池的阳极，一部分有机物会被阳极室中的产电微生物消耗掉，产生电子传递给阳极板开且通过外电路到达阴极板，并且产生质子，释放到污水中，含有质子的污水由阳极流向阴极，在阴极板的表面，经由铂的催化，与阴极板上的电子和溶解在水中的氧气反应生成水，完成电池的全部反应。同时，电池的阴极会有好氧微生物的生长，会进一步消耗掉水中的有机碳污染。
经过本发明的处理，水中的有机碳污染会经过阳极厌氧和阴极好氧的两步处理被去除，并且同时产生了电能。而且该发明符合污水处理的A/O工艺，无需改建现有的污水处理系统，只要在厌氧和好氧池内分别加入电极板，并想厌氧池中添加适当的产电微生物，就能够完成微生物燃料电池的构造。
附图说明
附图为本发明分体式微生物燃料电池的剖视图。图中：1是电池阳极进液口，富含有机碳的污水由此进入反应器；2是阳极水样采集口，用于水样的在线测定或者是收集水样进行离线测定；3是阳极板(活性碳纤维或碳布)，用于提供产电微生物的附着位点，并收集产电微生物产生的电子传递到外电路；4是阴极板(载铂碳纸)，将外电路传来的电子提供给氧气与质子，并催化他们的反应；5是阴极出液口，经过净化处理的污水由此流出；6是曝气头，通过曝气使阴极式中的溶氧量处于较高的水平；7是外电路用电器，用于电子的传递和电能的消耗；8是连接阴极和阳极之间的阀门，控制污水由阳极流向阴极的速度；9是空气入口，由此引入空气对阴极进行曝气；10是阳极出液口，经过阳极处理的污水由此流出；11是阴极进液口，污水由此进入阴极室；12是阳极室；13是阴极室。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。
含有大量有机碳污染的废水，由进液口1进入到电池的阳极室12，阳极室的阳极板3上附着有大量的产电微生物，废水流经阳极室的过程中，产电微生物会消耗废水中的有机碳作为自己生长和代谢的原料，将有机碳转化为自身的物质或者是CO2，起到了去除有机碳污染的作用，在代谢的同时，会产生电子传递给阳极板，产生质子释放到阳极液中，电子通过外电路7到达阴极板4，而质子会随着污水的流出阳极出液口10，经过阀门8，流到阴极进液口11，，流进阴极室13，由于阴极板安放的位置紧挨阴极入水口，污水中的质子会第一时间与电极板上的电子和水中的溶氧反应生成水，为了保证阴极室中的溶解氧的重组，空气由进气口9泵入，有曝气头6注入阴极液中，同时，阴极也会有大量的耗氧微生物的生长，而这些耗氧微生物的生长和代谢会进一步消耗污水中的有机物，从而有机污染物第二次去除，最后，经过阳极和阴极的两步处理，水中的有机污染物被去除，并且会产生一定量的电能，可以供给用电器运行。在整个运行过程中，可以在采样口2对阳极的污水指标进行在线测定，或者是采集水样进行离线测定，以检测阳极室中的污水的各项指标和微生物的情况，而由于阴极室是敞开体系，也可以安装在线测定传感器进行各项参数测定或者是采集水样进行测定。

Claims (5)

1.分体式微生物燃料电池，主要由两部分构成，阳极室(12)和阴极室(13)，阳极室为封闭体系，内有活性碳纤维或者碳布作为阳极板(3)，并在阳极室设有进水口(1)，出水口(10)和采样口(2)。阴极室为敞开体系，设有进水口(11)和出水口(5)，载铂碳纸作为阴极板(4)，为保证阴极液中有充足的溶氧，设有曝气头(6)持续向阴极鼓入空气。阳极室的出水口通过阀门(8)与阴极室进水口直接相连，有阀门控制污水由阳极流向阴极的流速和流量。阳极板和阴极板通过外电路(7)相连，以完成电子的传递和电力的消耗。污水依次流过阳极室和阴极室，分别被厌氧产电微生物和好氧微生物处理，污水中的有机碳被消耗掉，水质得以净化，同时，产生电能。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，采用连续流动的污水处理方式，污水由阳极室(12)流向阴极室(13)，使阳极板(3)上附着的微生物产生的质子被流动液体传送到达阴极板(4)，从而与氧气和电子完成反应，避免了传统的微生物燃料电池对选择性离子交换膜的使用，降低微生物燃料电池的成本。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，电池的阳极室(12)内布满阳极板(3)，以尽量增加产电微生物的附着位点和电子接受位点，电池的阳极出水口(10)通过阀门(8)直接与阴极入水口(11)相连，以保证阳极产生的质子能够尽快的达到阴极(13)，并且，阴极板(4)靠近阴极入水口安置，保证阳极传递过来的质子即可在阴极板上完成反应，同时通过曝气头(6)向阴极室鼓入空气以保证充足的氧气供应。通过这种方式，使质子能够以最快的速度由阳极到达阴极并完成反应，尽量降低电池反应的传质阻力，也就降低了电池的内阻。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于，在阴极室接种好氧微生物，在氧气供应充足的情况下，能够进一步消耗水中残留的有机碳污染，净化水质。
5.如权利要求1所述装置，其运行的液流方式包括上流式、推流式、平流式等连续流动方式，特征在于污水由厌氧区流至好氧区。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102491516A (zh) * 2011-11-25 2012-06-13 天津工业大学 一种电生物膜过滤耦合工艺处理难生物降解废水的方法
CN102723515A (zh) * 2012-06-25 2012-10-10 合肥工业大学 一种原位修复受污染地下水的微生物燃料电池堆装置
CN102780021A (zh) * 2012-07-31 2012-11-14 哈尔滨工业大学 一种a/o式无膜生物阴极微生物燃料电池
CN104064779A (zh) * 2014-07-16 2014-09-24 北京航空航天大学 模块化微生物燃料电池电极堆
CN105810984A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 北京化工大学 一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置
CN107973403A (zh) * 2017-11-30 2018-05-01 江西师范大学 一种好氧微生物电化学生物转盘污水处理方法
CN109142491A (zh) * 2018-08-20 2019-01-04 北京航空航天大学 基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法
CN109292996A (zh) * 2018-11-27 2019-02-01 中国计量大学 一种湿地型植物用微生物燃料电池
CN109378509A (zh) * 2018-11-29 2019-02-22 大连大学 一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池
CN111584913A (zh) * 2020-05-28 2020-08-25 烟台大学 一种垂直流互逆型微生物燃料电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101145620A (zh) * 2007-11-02 2008-03-19 哈尔滨工业大学 微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法
CN101383425A (zh) * 2008-10-17 2009-03-11 中国科学院广州能源研究所 一种两段式微生物燃料电池
CN101607776A (zh) * 2009-07-24 2009-12-23 哈尔滨工程大学 一种啤酒废水处理装置及处理方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101145620A (zh) * 2007-11-02 2008-03-19 哈尔滨工业大学 微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法
CN101383425A (zh) * 2008-10-17 2009-03-11 中国科学院广州能源研究所 一种两段式微生物燃料电池
CN101607776A (zh) * 2009-07-24 2009-12-23 哈尔滨工程大学 一种啤酒废水处理装置及处理方法

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102491516A (zh) * 2011-11-25 2012-06-13 天津工业大学 一种电生物膜过滤耦合工艺处理难生物降解废水的方法
CN102723515A (zh) * 2012-06-25 2012-10-10 合肥工业大学 一种原位修复受污染地下水的微生物燃料电池堆装置
CN102780021A (zh) * 2012-07-31 2012-11-14 哈尔滨工业大学 一种a/o式无膜生物阴极微生物燃料电池
CN104064779A (zh) * 2014-07-16 2014-09-24 北京航空航天大学 模块化微生物燃料电池电极堆
CN104064779B (zh) * 2014-07-16 2016-05-11 北京航空航天大学 模块化微生物燃料电池电极堆
CN105810984A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 北京化工大学 一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置
CN107973403A (zh) * 2017-11-30 2018-05-01 江西师范大学 一种好氧微生物电化学生物转盘污水处理方法
CN107973403B (zh) * 2017-11-30 2020-10-16 江西师范大学 一种好氧微生物电化学生物转盘污水处理方法
CN109142491A (zh) * 2018-08-20 2019-01-04 北京航空航天大学 基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法
CN109292996A (zh) * 2018-11-27 2019-02-01 中国计量大学 一种湿地型植物用微生物燃料电池
CN109292996B (zh) * 2018-11-27 2023-10-31 中国计量大学 一种湿地型植物用微生物燃料电池
CN109378509A (zh) * 2018-11-29 2019-02-22 大连大学 一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池
CN111584913A (zh) * 2020-05-28 2020-08-25 烟台大学 一种垂直流互逆型微生物燃料电池

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