CN102170006A - 能降解挥发性有机物的微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，包括流场板、阳极、阴极，其中，阳极包括阳极电极，阴极包括阴极电极，其特征在于：在阳极外侧的流场板设置有均匀分布的槽道，在靠近槽道的阳极电极表面覆盖有由碳粉和聚四氟乙烯粘结剂组成的多孔层以及由多孔聚四氟乙烯组成的憎水层，在槽道的底部首端设置有入口，在槽道的顶部尾端设置有出口，在阴极和阳极之间设置中间腔室，在中间腔室内装有生物培养基溶液；本发明利用微生物燃料电池进行可挥发有机废气的处理，在处理挥发性有机废气的同时实现电能的回收，而且本发明还能进行污水处理，处理生产和生活中产生的高化学需氧量污水，具有良好的应用前景。

Description

能降解挥发性有机物的微生物燃料电池

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池,具体涉及能降解挥发性有机物的微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）以其本身所特有的原料来源广泛、反应条件温和，可在常温常压下进行反应、生物相容性好、在发电过程中可同时降解废水和产生电能的独特优势，而成为一种极有潜力的可再生能源。

随着我国经济的飞速发展，大气污染成为我国最突出的环境问题之一。其中，工业废气是大气污染物的重要来源。大量工业废气的排放，将会导致大气环境质量下降，严重危害我国居民的身体健康。挥发性有机废气主要来自于化工和石油化工企业的排放废气，由于其一般都存在易燃易爆、有毒有害、浓度低、不溶于水、溶于有机溶剂的特点，为工业废气中较难处理的一类。

挥发性有机物主要包含烃类、醇类、酮类等，目前已有的处理挥发性有机物的方法可分为化学法和生物法两大类。其中化学法的原理是利用挥发性有机物具有易燃的特点，经过直接燃烧或催化燃烧，生成二氧化碳和水。这种方法具有去除效率高、可操作性好、无二次污染的优点。但是由于直接燃烧需要额外耗能而催化燃烧需要消耗催化剂的劣势，造成了化学法处理挥发性有机物的经济性不佳。

微生物燃料电池是一种能在处理有机物的同时产生电能的生物电化学装置。在微生物燃料电池中，溶解在底物溶液中的有机污染物被附着在微生物燃料电池阳极上的电化学活性菌降解，产生二氧化碳、质子和电子。质子通过电池内部，电子通过外电路到达微生物燃料电池的阴极，与微生物燃料电池阴极电子受体反应，从而完成整个有机物降解和产电的过程。目前，已有的微生物燃料电池结构主要适合针对溶解于水体中的有机物的降解过程，比如，专利号是ZL 200710144550.0的微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法；公开号是CN101667649的将有机废水能源化的微生物燃料电池接种和驯化启动方法，主要适合针对溶解于水体中的有机物的降解过程，并不适合对气态污染物的降解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供能降解挥发性有机物的微生物燃料电池。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，提供能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，包括流场板、阳极、阴极，其中，阳极包括阳极电极，阴极包括阴极电极，其特征在于：在阳极外侧流场板设置有均匀分布的槽道，在靠近槽道的阳极电极表面覆盖有由碳粉和聚四氟乙烯粘结剂组成的多孔层以及由多孔聚四氟乙烯组成的憎水层，在槽道的底部首端设置有入口，在槽道的顶部尾端设置有出口，在阴极和阳极之间设置中间腔室，在中间腔室内装有生物培养基溶液。

由于在阳极外侧流场板上设置有均匀分布的槽道，在槽道的底部首端设置有入口，在槽道的顶部尾端设置有出口，挥发性有机废气从入口进入槽道，二氧化碳和未处理完的废气从出口排出。由于在靠近槽道的阳极电极外表面覆盖有由碳粉和聚四氟乙烯粘结剂组成的多孔层以及由多孔聚四氟乙烯组成的憎水层，而在中间腔室内装有生物培养基溶液，在中间腔室的气液相界面将产生生物膜，并能保证中间腔室内的生物培养基溶液不会进入气体流道。并且，在中间腔室的气液相界面产生的生物膜，通过降解可挥发性有机物，产生电子与二氧化碳，从而达到同时降解可挥发性有机物和产生电能的目的。

由于采用中间腔室及生物培养基溶液隔绝了阳极与阴极，从而避免了使用质子交换膜这种昂贵的材料，有利于降低微生物燃料电池的成本；同时，由于不需要使用质子交换膜作为阴极与阳极隔绝的材料，还有利于提高阴极阳极之间质子的传输速率，降低电池内阻。

本发明的原理，以挥发性有机废气中最常见的主要成分甲苯、甲醇、乙酸乙酯和异丙醇为例，说明如下：

在阳极侧，进入槽道的挥发性有机废气通过经憎水或称疏水处理的阳极电极，到达阳极的液相界面。在气液相界面生长的微生物通过吸收中间腔室内培养基中的水和营养物质以及从气相扩散来的有机废气进行生长代谢，生成二氧化碳、质子及电子，化学反应方程式见式（a）；电子通过外电路到达阴极，质子通过浓差扩散和电渗作用到达阴极液相侧的催化剂表面，与空气中的氧气反应生成水，化学反应方程式见式（b）。从而完成整个产电与挥发性有机气体降解的过程，化学反应方程式见式（c）；

阳极反应：                                                

  （a）

阴极反应：

           （b）

总反应：

              （c）

若以甲醇蒸气为例，阳极反应则变为：

阳极反应：

阴极反应同式（b）

总反应：

若以乙酸乙酯蒸气为例，则阳极反应变为：

阳极反应：

阴极反应同式（b）

总反应：

若以异丙醇蒸气为例，则阳极反应变为：

阳极反应：

阴极反应同式（b）

总反应：

根据本发明所述的可降解挥发性有机物的微生物燃料电池的优选方案，在中间腔室的底部设置进液口，在中间腔室的顶部设置出液口，生物培养基溶液通过进液口进入中间腔室，出液口用于与外部管路连接，多余的生物培养基溶液从出液口排出；该结构保证在接种启动期，生物培养基溶液采用循环供应的方式，接种启动期之后，生物培养基溶液采用序批式供应，即待生物培养基溶液中有机物和营养物消耗到一定量后，再从入液口批次性的加入生物培养基溶液，该方式能有效的提高生物培养基溶液的利用效率，避免了传统微生物燃料电池中生物培养基溶液的浪费与二次污染。

根据本发明所述的可降解挥发性有机物的微生物燃料电池的优选方案，所述槽道平行排列或网状排列。

根据本发明所述的可降解挥发性有机物的微生物燃料电池的优选方案，阴极采用自呼吸式，将有利于降低系统运行过程的能耗。

根据本发明所述的可降解挥发性有机物的微生物燃料电池的优选方案，所述生物培养基溶液由活性污泥和培养基构成，所述培养基的主要成分是：

Na₂HPO₄：0～2.0 g/L；NH₄NO₃：1～4g/L；KH₂PO₄：0～1.0g/L；

MgSO₄：0.1～0.3g/L；K₂HPO₄：0～0.9g/L；CaCl₂：0.005～0.020g/L；

MnSO₄：0～0.006 g/L；FeCl₂：0.010～0.040g/L；ZnSO₄：0～0.007g/L；

(NH₄)₆Mo₇O₂₄：0～0.005g/L。

由于中间腔室内的生物培养基溶液不含碳源；不仅便于利用挥发性有机物为碳源，达到在降解有机废气的同时实现回收电能的目的，并且由于在此结构中碳源和培养基分离，有利于提高培养基溶液的利用效率。

本发明所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池的有益效果是：本发明利用微生物燃料电池进行可挥发有机废气的处理，在处理挥发性有机废气的同时实现电能的回收，并且，由于采用中间腔室及生物培养基溶液隔绝阳极与阴极，从而避免了使用质子交换膜这种昂贵的材料，有利于降低微生物燃料电池的成本；同时，由于不需要使用质子交换膜作为阴极与阳极隔绝的材料，还有利于提高阴极阳极之间质子的传输速率，降低电池内阻；本发明在接种启动期，生物培养基溶液采用循环供应的方式，接种启动期之后，生物培养基溶液采用序批式供应，能有效的提高生物培养基溶液的利用效率，避免了传统微生物燃料电池中生物培养基溶液的浪费与二次污染；而且本发明还能进行污水处理，处理生产和生活中产生的高化学需氧量污水，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池结构示意图。

图2是本发明所涉及的微生物燃料电池阳极1外侧流场板11结构示意图。

图3是图2的A-A面剖示图。

图4是本发明所涉及的微生物燃料电池的启动曲线。

图5是是实施例1中降解甲苯效率变化图。

图6是实施例2中本发明所涉及的微生物燃料电池产电性能曲线。

图7是实施例3中本发明所涉及的微生物燃料电池产电性能曲线。

图8是实施例4中本发明所涉及的微生物燃料电池产电性能曲线。

图9是实施例5中本发明所涉及的微生物燃料电池产电性能曲线。

具体实施方式

实施例1 ：

参见图1，能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，由流场板11、阳极1、阴极2和中间腔室6构成，其中，阳极1包括阳极电极14，阴极2包括阴极电极15，流场板11主要用于均匀分布废气和通过通孔16固定阳极1、阴极2和中间腔室6，其中，阴极采用自呼吸式，直接裸露在空气中，在阳极1外侧的流场板11上设置有均匀分布的槽道3，所述槽道的深度1 mm，槽道的宽度1.5 mm,槽道平行排列，槽道与槽道之间的间距在1 mm∽5 mm之间；所述槽道11的数量根据阳极电极14的尺寸确定；在靠近槽道3的阳极电极14表面喷涂带有多孔聚四氟乙烯组成的憎水剂的碳粉浆料，然后再喷涂聚四氟乙烯乳液至聚四氟乙烯的干重达到10～50%，使靠近槽道3的阳极电极14表面覆盖了由碳粉和聚四氟乙烯粘结剂组成的多孔层以及由多孔聚四氟乙烯组成的憎水层，在槽道3的底部首端设置有入口4，在槽道3的顶部尾端设置有出口5，中间腔室6设置在阴极2和阳极1之间，在中间腔室6的底部设置进液口9，在中间腔室6的顶部设置出液口9，生物培养基溶液通过进液口9进入中间腔室6，多余的生物培养基溶液从中间腔室6出液口10排出；在本实施例中，中间腔室6由有机玻璃制成，为长方体结构，中间腔室6的容积为80mL；阳极电极1采用的是日本东丽公司的碳纸，阴极电极2采用的是日本东丽公司的表面预先喷涂了铂黑催化剂作为催化层7的碳纸。

中间腔室6接种细菌：中间腔室6接种细菌前，先将活性污泥以高纯氮气曝气24小时；将培养基用高压灭菌锅进行高温杀菌杀菌半小时，再曝高纯氮气除氧15分钟；中间腔室6保持密闭厌氧状态，再将活性污泥与高温灭菌后的培养基按1:4混合；将混合后的活性污泥与培养基溶液共80mL通过微生物燃料电池进液口9进入微生物燃料电池中间腔室6中；用以供应生物膜12中微生物所需的营养物质， 所述培养基的主要成分是：

Na₂HPO₄：1.077 g/L；NH₄NO₃：2g/L；KH₂PO₄：0.822g/L；

MgSO₄：0.15g/L；K₂HPO₄：0.579g/L；CaCl₂：0.015g/L；

MnSO₄： 0.004 g/L；FeCl₂： 0.025g/L；ZnSO₄： 0.004g/L；

(NH₄)₆Mo₇O₂₄： 0.003g/L。

在阴极电极15与阳极电极之间14通过铜丝连接外电阻13，外电阻13为2000欧，再向入口4输入甲苯蒸气，甲苯蒸气进入槽道3，并接种电化学活性细菌，此时电池的电压约为0V，甲苯降解效率约为20%，但随着时间的推移，电池的电压开始缓慢增加，到接种后的2天后，电池电压增加速度开始加快，甲苯降解效率也逐步升高。参见图4和图5，当电池培养到第6后，电池的电压和甲苯降解效率都达到稳定，电池电压和甲苯降解效率分别达到180mV和90％左右。

实施实例2：

与实施例一不同的是：阳极电极14采用碳毡，槽道3为网状排列，平行排列的槽道之间的间距在1 mm∽5 mm之间。

培养基的主要成分是：

Na₂HPO₄：1.521g/L；NH₄NO₃：1.5g/L；KH₂PO₄：0.713g/L；

MgSO₄：0.15g/L；K₂HPO₄：0.40g/L；CaCl₂：0.005g/L；

MnSO₄：0.003 g/L；FeCl₂：0.018g/L；ZnSO₄：0.002g/L；

(NH₄)₆Mo₇O₂₄：0.002g/L；

向入口4输入甲醇蒸气，在甲醇蒸气进气流速20ml/min，浓度1g/m³，培养液流量为0.5ml/min的工况下，电池的电压－电流和功率－电流曲线。从图6中可以看出，电池的最大功率密度为0.5mW/m²。

实施实例3：

与实施例一不同的是：阳极电极14和阴极电极15采用的是日本东丽公司的碳纸；

培养基的主要成分是：

Na₂HPO₄：1.521g/L；NH₄NO₃：1.5g/L；KH₂PO₄：0.713g/L；

MgSO₄：0.15g/L；K₂HPO₄：0.40g/L；CaCl₂：0.005g/L；

MnSO₄：0.003 g/L；FeCl₂：0.018g/L；ZnSO₄：0.002g/L；

(NH₄)₆Mo₇O₂₄：0.002g/L。

向入口4输入甲苯和甲醇混合气，甲苯和甲醇混合气的进气流流速20ml/min，浓度3g/m³，培养基进入微生物燃料电池的方式为续批式时，电池的电压－电流和功率－电流曲线见图7，从图7中可以看出，电池的最大功率密度为4.5mW/m²。

实施实例4：

与实施例3不同的是向入口4输入的是乙酸乙酯蒸气，其进气流速为20ml/min，乙酸乙酯浓度为1.5g/m³，电池启动成功后其电压－电流和功率－电流曲线见图8所示。从图中可以看出，当使用乙酸乙酯时，电池的最大功率密度为2.6mW/m²。

实施实例5：

与实施例3和4不同的是向入口4输入的是异丙醇蒸气，其进气流速为20ml/min，异丙醇浓度为1.5g/m³，电池启动成功后其电压－电流和功率－电流曲线见图9所示。从图中可以看出，当使用异丙醇蒸气时，电池的最大功率密度为6.9mW/m²。

从实施例可以得出：采用本发明中的结构，微生物燃料电池不仅可以处理挥发性有机废气，其处理效率可达90％以上，还能够产电。

Claims (5)

1.能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，包括流场板（11）、阳极（1）、阴极（2），其中，阳极（1）包括阳极电极（14），阴极（2）包括阴极电极（15），其特征在于：在阳极（1）外侧的流场板（11）设置有均匀分布的槽道（3），在靠近槽道（3）的阳极电极（14）表面覆盖有由碳粉和聚四氟乙烯粘结剂组成的多孔层以及由多孔聚四氟乙烯组成的憎水层（8），在槽道（3）的底部首端设置有入口（4），在槽道（3）的顶部尾端设置有出口（5），在阴极（2）和阳极（1）之间设置中间腔室（6），在中间腔室（6）内装有生物培养基溶液。

2.根据权利要求1所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，其特征在于：在中间腔室（6）的底部设置进液口（9），在中间腔室（6）的顶部设置出液口（10）。

3.根据权利要求2所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，其特征在于：槽道（3）平行排列或网状排列。

4.根据权利要求1或2或3所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，其特征在于：阴极为自呼吸式阴极。

5.根据权利要求4所述的能降解挥发性有机物的微生物燃料电池，其特征在于：在中间腔室（6）内装的生物培养基溶液由活性污泥和培养基构成，所述培养基的主要成分是： 

Na₂HPO₄：0～2.0 g/L；NH₄NO₃：1～4g/L；KH₂PO₄：0～1.0g/L；

MgSO₄：0.1～0.3g/L；K₂HPO₄：0～0.9g/L；CaCl₂：0.005～0.020g/L；

MnSO₄：0～0.006 g/L；FeCl₂：0.010～0.040g/L；

ZnSO₄：0～0.007g/L；(NH₄)₆Mo₇O₂₄：0～0.005g/L。

Images