CN102231440B - 一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置，它涉及一种微生物燃料电池发电装置及一种电池装置阴极的处理方法，以解决现有沉积物燃料电池装置阳极生物亲和性和导电性能差、阴极需要昂贵的催化剂来提高阴极区反应速率以及不适合工业化大面积处理污水和沉积物中的污染物的问题。该装置包括阳极、阴极、导线和电阻，阳极与导线的一端连接，导线的另一端与阴极连接，导线的两端之间还联接有电阻；还包括阴极框架和阳极框架，阴极置于阴极框架上，阳极置于阳极框架上，所述的阴极为不锈钢奥氏体材料。该装置阴极的处理方法：一、无规刻蚀；二、等离子体渗氮；三、固溶。本发明用于水体沉积物及水中有机污染物的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池发电装置及该装置的阴极处理方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
现阶段MFC通常分为液相阴极和空气阴极两种类型。液相阴极电子受体可以是具有高氧化还原电位的物质，但是阴极电解液多为化学药剂(如铁氰化钾或高锰酸钾等)，随着电池的运行需要不断向阴极中补充电解液，不适合实际应用。有些产物还容易造成二次污染。而空气阴极MFC是利用空气中的氧气为电子受体，不需要外加电子受体，空气又是无限的免费品，可大量节约投资成本，与液相阴极电子受体的化学品相比，阴极基质不用定期更换，是理想的微生物燃料电池。但是由于氧气分子在阴极表面发生的三相(气相、液相、固相)还原反应速率很慢，需要使用昂贵的金属Pt作为催化剂来降低反应的过电位损失，故此大大增加了空气阴极燃料电池的造价，实际的应用受到限制。另外，金属离子会造成阴极催化剂中毒，导致微生物燃料电池系统运行失败。
沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial FuelCeH，SMFC)的工作原理与微生物燃料电池类似，在沉积物微生物燃料电池中，作为阳极的电极被埋在水底沉积物中，而作为阴极的电极则悬于阳极上方的水中，其不需要投加电子受体或供氧剂，并可以在氧化有机物的同时产生一定的电能。但是现有的SMFC阴极处由于有限的溶解氧和氧气的扩散速率慢，造成其高的过电位，常用的是使用昂贵的金属Pt作为催化剂来降低反应的过电位损失，故此大大增加了燃料电池的造价，实际的应用受到限制，另外，金属离子会造成阴极催化剂中毒，导致微生物燃料电池系统运行失败。而阳极生物亲和性和导电性能差，只适合试验室研究，不适合工业化大面积处理污水和沉积物中的污染物。
发明内容
本发明的目的是提出一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置及该装置阴极的处理方法，以解决现有沉积物燃料电池装置阳极生物亲和性和导电性能差、阴极需要昂贵的催化剂来提高阴极区反应速率以及不适合工业化大面积处理污水和沉积物中污染物的问题。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案是：
本发明的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置包括阳极、阴极、导线和电阻，阳极与导线的一端连接，导线的另一端与阴极连接，导线的两端之间还联接有电阻；该装置还包括阴极框架和阳极框架，阴极框架设置在阳极框架上面并可拆卸连接，阳极置于阳极框架上，阴极置于阴极框架上，所述的阳极由多个碳板并列组成，每个碳板的外表面具有纳米碳涂层，所述的阴极的材料为00Cr17Ni12Mo2N、00Cr17Ni13Mo2N、sus316或sus316L的其中一种；每个碳板的厚度为10mm～20mm，宽度为100mm～400mm，长度为500mm～1000mm；每个碳板的宽度方向的侧面上均匀分布有多个孔，每个孔的孔径为3.0mm～5.0mm，相邻两孔中心距为6mm～10mm；该装置还包括两个绝缘支撑板和两个绝缘盖板，每个绝缘支撑板上具有多个开口槽，每个开口槽的宽度与每个碳板的厚度相同，每个碳板的一端设有凸台，每个开口槽的高度与每个碳板的宽度相一致，每个开口槽的厚度小于每个碳板的凸台的长度，每个碳板均垂直设置于两个绝缘支撑板之间相对应的两个开口槽上，两个绝缘盖板中的一个置于两个绝缘支撑板中的其中一个的上端面，两个绝缘盖板中剩余一个置于两个绝缘支撑板中的剩余一个的上端面，每个绝缘盖板与相应绝缘支撑板可拆卸连接，所述的两个绝缘支撑板、两个绝缘盖板和多个碳板组合成一个组合体，该组合体与阳极框架可拆卸连接。
一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置的阴极处理方法是按照以下步骤实现：一、无规刻蚀处理：将原材料预先用水清洗，将清洗后的材料置于双电极刻蚀反应池的阳极上，同时向反应池加入刻蚀剂，保持阴阳电极间距为5～15cm，在电压为5～10V，电流为150～300A条件下，反应15min～60min，其中刻蚀剂是由1mol/L的盐酸和1mol/L的硝酸按体积比为100∶(1～5)的比例配成或者是质量百分比浓度为10％的氢氟酸；二、将经步骤一处理的无规刻蚀材料用水清洗后，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；三、等离子体渗氮处理：将经步骤二处理的刻蚀材料放入等离子体电解池中，将电解液加入到上述电解池中，在工作电压为220～250V、电流密度为0.8～1.2A/cm2和电解液工作温度为20℃～45℃的条件下，处理3～5min，所述的电解液由尿素、氯化钠和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成或由尿素、氯化钾和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成；四、将经步骤三处理的渗氮材料用水清洗，酒精擦洗，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；五、将经步骤四处理的渗氮材料，放置在固溶处理炉内，在温度为1050～1100℃条件下处理1min～6min后，快速冷却至室温，即制得本发明装置的阴极。
本发明的有益效果是：
(1)本发明装置整体结构简单，本发明制造成本低廉，本发明装置的阳极的表面具有纳米碳涂层，利于增大阳极的比表面积和扩大微生物膜的生成面积，提高了阳极的亲和性与导电性；阴极采用不锈钢奥氏体材料，经过无规刻蚀处理，增加了阴极的表面积，强化了奥氏体晶间结构，使之与溶解氧更加充分接触，使阴极反应速率提高；经渗氮处理材料表面的活性原子浓度提高，有利于阴极溶解氧与电子的结合；经固溶处理后，则进一步增加阴极的电化学特性和防腐能力。
(2)本发明装置无需电子中介体，无需催化剂，无需离子交换膜材料对阳极与阴极的隔离，以电极作为电子受体，利用水体自然溶解氧的梯度分布，实现阳极厌氧氧化反应，微生物氧化有机污染物，阴极好氧还原反应，氧气还原生成水，实现处理水体沉积物的有机污染物的同时，能产生一定的电能，也能去除水中一定污染物，能对自然水体实现除污产电净化。本发明装置在水体或水域中运行后，阴极表面会自动生产好氧生物膜，更有利于加速阴极的反应速率，提高装置的产电能力。
(3)本发明具有单体式和分体式两种方式对水体沉积物的有机污染物处理。单体式水体沉积物微生物燃料电池发电装置(WSMFC)，如本发明图2所示。即阴极框架与阳极框架组装在一起，在水体中整体使用，阳极框架置于水体沉积物中，而阴极框架置于沉积物上方的水中，可移位对不同水体沉积物和水中污染物进行处理，适用于较小面积封闭水体沉积物污染物及水中污染物处理；分体式水体沉积物微生物燃料电池发电装置，阳极与阴极分离组装，阳极采用多组阳极框架，阳极框架置于水体沉积物中，而阴极框架则集中放置于某一区域水面，也可将阴极框架集中设置在岸基阴极池内，确保阴极区溶解氧的浓度，确保阴极区面积与阳极面积的匹配比例。分体式水体沉积物微生物燃料电池发电装置阴极可多层叠放，以提高阴极区利用效率，适用于较大水中有机污染物和水体沉积物中有机污染物处理。
(4)经本发明装置对水体沉积物有机污染物处理的运行测试，其沉积物中的有机污染物去除率可达到90％以上，适合于大面积水中有机污染物或封闭水体以及不同水体深度的沉积物中有机污染物的处理。
附图说明
图1是本发明的一种水体沉积物燃料电池发电装置整体结构主视图，图2是阳极、阴极、阳极框架和阴极框架连接结构主视图，图3是图2的左视图，图4是图2的俯视图，图5是图2的仰视图，图6是本发明的工作原理图，图7是本发明的阳极结构主视图，图8是图7的俯视图，图9是本发明阴极板结构主视图，图10是图9的左视图，图11是本发明绝缘支撑板的主视图，图12是图11的俯视图，图13是具体实施方式十一中经刻蚀处理制得的材料金相结构照片图，图14是具体实施方式十一中经固溶处理制得的材料金相结构照片图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置包括阳极1、阴极2、导线5和电阻12，阳极1与导线5的一端连接，导线5的另一端与阴极2连接，导线5的两端之间还联接有电阻12；该装置还包括阴极框架3和阳极框架4，阴极框架3设置在阳极框架4上面并可拆卸连接，阳极1置于阳极框架4上，阴极2置于阴极框架3上，所述的阳极1由多个碳板1-1并列组成，每个碳板1-1的外表面具有纳米碳涂层，所述的阴极2的材料为00Cr17Ni12Mo2N、00Cr17Ni13Mo2N、sus316或sus316L的其中一种。
本实施方式的纳米碳涂层的材料是纯度为99.9％、粒径为40nm的碳粉。
具体实施方式二：结合图7和图8说明本实施方式，本实施方式的每个碳板1-1的厚度W1为10mm～20mm，宽度H1为100mm～400mm，长度L1为500mm～1000mm；每个碳板1-1的宽度方向的侧面上均匀分布有多个孔，每个孔的孔径为3.0～5.0mm，相邻两孔中心距为6mm～10mm。本实施方式采用的碳板由高强碳颗粒、沥青材料和石墨材料复合而成，碳板密度为1.85cm3/g，密度高，采用多孔结构板，均达到增加比表面积目的，比表面积达能到2800m2/m3以上，从而使阳极更有利于电子吸附，提高电化学活性。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图5、图7和图8说明本实施方式，本实施方式的每个碳板1-1的外表面上还具有生物膜层。本实施方式的生物膜层的材料为斯梯克兰梭菌(Clostridium sticklandii)；门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)；类芽胞杆菌(Paenibacillus taejonensis)中的其中一种或几种。本实施方式的活性生物膜启动后，在厌氧环境下生存率高，是可以长期运行的产电生物膜，具有微生物水体微环境特征，从而使本发明装置对水体沉积物污染物处理的效率增加，提高产电能量。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图11-图12说明本实施方式，本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置还包括两个绝缘支撑板10和两个绝缘盖板9，每个绝缘支撑板10上具有多个开口槽10-1，每个开口槽10-1的宽度W3与每个碳板1-1的厚度W1相同，每个碳板1-1的一端设有凸台1-1a，每个开口槽10-1的高度L3与每个碳板1-1的宽度H1相一致，每个开口槽10-1的厚度H3小于每个碳板1-1的凸台1-1a的长度L4，每个碳板1-1均垂直设置于两个绝缘支撑板10之间相对应的两个开口槽10-1上，两个绝缘盖板9中的一个置于两个绝缘支撑板10中的其中一个的上端面，两个绝缘盖板9中剩余一个置于两个绝缘支撑板10中的剩余一个的上端面，每个绝缘盖板9与相应绝缘支撑板10可拆卸连接，所述的两个绝缘支撑板10、两个绝缘盖板9和多个碳板1-1组合成一个组合体11，该组合体11与阳极框架4可拆卸连接。如此设置，本实施方式的阳极板组成的阳极具有立体结构，有效提高微生物向阳极传递电子的能力。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置还包括绝缘垫板7和绝缘隔离板8，所述的阴极2由两个阴极板2-1构成，绝缘垫板7置于阴极框架3上并与阴极框架3可拆卸连接，所述的两个阴极板2-1均置于绝缘垫板7上，并分别与绝缘垫板7可拆卸连接，所述的两个阴极板2-1之间设置有绝缘隔离板8；每个阴极板2-1的宽度H2为200mm～400mm，长度L2为400mm～1000mm，厚度W2为0.1mm～5.0mm。如此设置，使阳极表面积和阴极表面积具有一定的匹配比例，有利于增大电流密度，提高产电能量。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1、图2和图7-图10说明本实施方式，本实施方式所述的阳极1与阴极2的表面积之比为2～20∶1。如此设置，可使装置保持稳定产电。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的阳极1和阴极2分别与导线5通过钛合金或钛材料焊条焊接。如此设置，可提高电路结点在水中的防腐能力。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的阳极框架4和阴极框架3的材料均为不锈钢或铝合金。如此设置，可有效提高装置的防腐能力，适合不同水域的水体。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置还包括监控设备6，所述的监控设备6并联在电阻12的两端，该监控设备6是电压表和电流表。如此设置，将监控设备接入阳极与阴极的电路中，通过装置的产电，支持设备监控电路的运行状态(电流和电压)，也可将照明电器接入阳极与阴极的电路中，支持照明电器照明工作，经监测可产生1～24伏的开路电压。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置的阴极处理方法是按照以下步骤实现，：一、无规刻蚀处理：将原材料预先用水清洗，将清洗后的材料置于双电极刻蚀反应池的阳极上，同时向反应池加入刻蚀剂，保持阴阳电极间距为5～15cm，在电压为5～10V，电流为150～300A条件下，反应15min～60min，其中刻蚀剂是由1mol/L的盐酸和1mol/L的硝酸按体积比为100∶(1～5)的比例配成或者是质量百分比浓度为10％的氢氟酸；二、将经步骤一处理的无规刻蚀材料用水清洗后，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；三、等离子体渗氮处理：将经步骤二处理的刻蚀材料放入等离子体电解池中，将电解液加入到上述电解池中，在工作电压为220～250V、电流密度为0.8～1.2A/cm2和电解液工作温度为20℃～45℃的条件下，处理3～5min，所述的电解液由尿素、氯化钠和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成或由尿素、氯化钾和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成；四、将经步骤三处理的渗氮材料用水清洗，酒精擦洗，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；五、将经步骤四处理的渗氮材料，放置在固溶处理炉内，在温度为1050～1100℃条件下处理1min～6min后，快速冷却至室温，即制得本发明装置的阴极。
具体实施方式十一：本实施方式的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置的阴极处理方法是按照以下步骤实现：一、无规刻蚀处理：将原材料预先用水清洗，将清洗后的材料置于双电极刻蚀反应池的阳极上，同时向反应池加入刻蚀剂，保持阴阳电极间距为10cm，在电压为8V，电流为220A条件下，反应36min，其中刻蚀剂是由1mol/L的盐酸和1mol/L的硝酸按体积比为100∶4的比例配成；二、将经步骤一处理的无规刻蚀材料用水清洗后，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；三、等离子体渗氮处理：将经步骤二处理的刻蚀材料放入等离子体电解池中，将电解液加入到上述电解池中，在工作电压为235V、电流密度为1.0A/cm2和电解液工作温度为30℃的条件下，处理4min，所述的电解液由尿素、氯化钠和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成或由尿素、氯化钾和水按质量比为8.5∶0.5∶1的比例配成；四、将经步骤三处理的渗氮材料用水清洗，酒精擦洗，自然干燥，再经砂纸粗磨、1000#金相砂纸细磨处理和丙酮擦洗；五、将经步骤四处理的渗氮材料，放置在固溶处理炉内，在温度为1100℃条件下处理6min后，快速冷却至室温，即制得本发明装置的阴极。
本实施方式经刻蚀制得的材料金相结构照片图如图13所示，从图13中可以看出，不锈钢微观结构更细化，更有利于阴极溶解氧与电子的结合。本实施方式经固溶处理制得的材料，经时效处理4h，再经苦味酸和盐酸水溶液浸蚀，放大500倍拍摄的金相结构照片图如图14所示，从图14中可以看出，组织和化学成分均匀一致，并有深色铬氮化合物析出，材料的这种结构和成分有利于增加阴极的电化学特性和耐防腐能力。
工作原理：阳极置于水体沉积物内，沉积物中的有机污染物在阳极上的预置生物膜层材料(如斯梯克兰梭菌(Clostridium sticklandii)；门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)；类芽胞杆菌(Paenibacillus taejonensis)或者阳极区厌氧微生物(如脆弱类杆菌群、核梭杆菌、厌氧革兰阴性菌群等)的催化作用下被氧化，并在阳极上释放出电子，电子经过生物细胞膜传递给阳极，在经导线输送到阴极，阴极置于阳极上方的水中，质子经过沉积物相传递到水相，由于溶解氧浓度从底部到水体表面逐渐增高，溶解氧浓度高的阴极区获得质子，在阴极区，电子和质子与氧气发生还原反应生成水，消耗了阳极产生的电子，随着阳极区有机物的不断氧化，阴极区的持续还原反应，水体沉积物中的有机污染物得到快速有效处理，外电路上通过电压和电流的检测，将照明电器接入阳极与阴极的电路之中，就可以实现装置的供电功能。
Claims (2)
1.一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置，该装置包括阳极(1)、阴极(2)、导线(5)和电阻(12)，阳极(1)与导线(5)的一端连接，导线(5)的另一端与阴极(2)连接，导线(5)的两端之间还联接有电阻(12)；该装置还包括阴极框架(3)和阳极框架(4)，阴极框架(3)设置在阳极框架(4)上面并可拆卸连接，阳极(1)置于阳极框架(4)上，阴极(2)置于阴极框架(3)上，所述的阳极(1)由多个碳板(1-1)并列组成，每个碳板(1-1)的外表面具有纳米碳涂层，所述的阴极(2)的材料为00Cr17Ni12Mo2N、00Cr17Ni13Mo2N、sus316或sus316L的其中一种；每个碳板(1-1)的厚度(W1)为10mm～20mm，宽度(H1)为100mm～400mm，长度(L1)为500mm～1000mm；每个碳板(1-1)的宽度方向的侧面上均匀分布有多个孔，每个孔的孔径为3.0mm～5.0mm，相邻两孔中心距为6mm～10mm；其特征在于：该装置还包括两个绝缘支撑板(10)和两个绝缘盖板(9)，每个绝缘支撑板(10)上具有多个开口槽(10-1)，每个开口槽(10-1)的宽度(W3)与每个碳板(1-1)的厚度(W1)相同，每个碳板(1-1)的一端设有凸台(1-1a)，每个开口槽(10-1)的高度(L3)与每个碳板(1-1)的宽度(H1)相一致，每个开口槽(10-1)的厚度(H3)小于每个碳板(1-1)的凸台(1-1a)的长度(L4)，每个碳板(1-1)均垂直设置于两个绝缘支撑板(10)之间相对应的两个开口槽(10-1)上，两个绝缘盖板(9)中的一个置于两个绝缘支撑板(10)中的其中一个的上端面，两个绝缘盖板(9)中剩余一个置于两个绝缘支撑板(10)中的剩余一个的上端面，每个绝缘盖板(9)与相应绝缘支撑板(10)可拆卸连接，所述的两个绝缘支撑板(10)、两个绝缘盖板(9)和多个碳板(1-1)组合成一个组合体(11)，该组合体(11)与阳极框架(4)可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的一种水体沉积物微生物燃料电池发电装置，其特征在于：所述的装置还包括绝缘垫板(7)和绝缘隔离板(8)，所述的阴极(2)由两个阴极板(2-1)构成，绝缘垫板(7)置于阴极框架(3)上并与阴极框架(3)可拆卸连接，所述的两个阴极板(2-1)均置于绝缘垫板(7)上，并分别与绝缘垫板(7)可拆卸连接，所述的两个阴极板(2-1)之间设置有绝缘隔离板(8)；每个阴极板(2-1)的宽度(H2)为200mm～400mm，长度(L2)为400mm～1000mm，厚度(W2)为0.1mm～5.0mm。
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