CN102263278A - 一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池及电池组 - Google Patents

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Abstract

一种微生物燃料电池及电池组，具体涉及一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池及电池组。本发明为了解决现有微生物燃料电池及电池组为使整个装置稳定及可持续运行，在阳极室投加碱性物质，在阴极室投加酸性物质，增加了生产成本和控制难度的问题。本发明所述电池包括电池单元、连通管和水泵，水泵的输入端与阳极室的出水口连通，水泵的输出端与连通管的一端连通，连通管的另一端与阴极室的进水口连通；本发明所述电池组由N个电池单元串联组成。本发明用于处理废水，同时获得电能并进行盐水脱盐。

Description

一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池及电池组
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池及电池组，具体涉及一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池及电池组。
背景技术
由于人口增长和经济发展导致人均用水量增加，在过去的三个世纪里，人类提取的淡水资源增加了35倍，淡水资源在时空上分布不均，加上人类的不合理利用，使世界上去多国家地区面临着严重的水资源危机。地球表面面积的2/3被水覆盖，但水储量的97％为海水和苦咸水，这些水是很丰富的，但是要利用海水必须经过淡化。目前，全世界有一百二十多个国家和地区采用海水或苦咸水淡化技术取得淡水，据统计，海水淡化系统与生产量以每年10％以上的速度在增加，现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法，就目前经济技术水平而言，海水淡化仍然耗电耗能，成本很高。微生物燃料电池(MFC)是近年来刚刚兴起的一种绿色产能技术，它以微生物作为催化剂，直接将生物质能转化为电能，将微生物燃料电池技术同海水淡化技术结合起来可以降低成本，然而常规的间歇式的脱盐微生物燃料电池不适用于工业生产中的连续作业，底物在阳极室被产电微生物氧化并释放出H+质子，同时阴极室产生的HO-离子使阳极室和阴极室的pH环境急剧变化，整个装置很难稳定及可持续运行。通常的解决办法是在阳极室投加碱性物质，在阴极室投加酸性物质以保证系统稳定，但却增加了生产成本和控制难度。
发明内容
本发明为解决现有微生物燃料电池及电池组为使整个装置稳定及可持续运行，在阳极室投加碱性物质，在阴极室投加酸性物质，增加了生产成本和控制难度的问题，进而提出一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池及电池组。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池包括电池单元，所述电池单元包括反应器箱体、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阳极、阳极导线、空气阴极和空气阴极导线，所述反应器箱体内由上至下依次设有阳极室、脱盐室和阴极室，所述阴离子交换膜位于阳极室和脱盐室之间，所述阳离子交换膜位于脱盐室和阴极室之间，所述阳极安装在阳极室内，所述阳极导线与阳极连接，所述空气阴极安装在阴极室内，所述空气阴极导线与空气阴极连接，还包括连通管和水泵，所述水泵的输入端与阳极室的出水口连通，所述水泵的输出端与连通管的一端连通，所述连通管的另一端与阴极室的进水口连通。
本发明所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组包括N个电池单元，第一个电池单元的阴极室的出水口与第二个电池单元的阳极室的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元的阴极室的出水口与第N个电池单元的阳极室的进水口连通，第一个电池单元的脱盐室的出水口与第二个电池单元的脱盐室的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元的脱盐室的出水口与第N个电池单元的脱盐室的进水口连通，所述N大于2，每个电池单元的阳极室的出水口与自身的阴极室的进水口连通。
本发明所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组包括N个电池单元，第一个电池单元的阳极室的出水口与第二个电池单元的阴极室的进水口连通，第一个电池单元的阴极室的出水口与第二个电池单元的阳极室的进水口连通，第一个电池单元的脱盐室的出水口与第二个电池单元的脱盐室的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元的阳极室的出水口与第N个电池单元的阴极室的进水口连通，第N-1个电池单元的阴极室的出水口与第N个电池单元的阳极室的进水口连通，第N-1个电池单元的脱盐室的出水口与第N个电池单元的脱盐室的进水口连通，第N个电池单元的阳极室的出水口与第N个电池单元的阴极室的进水口连通，所述N大于2。
本发明的有益效果是：本发明实现了MFC或MDC的连续运行，适宜于在实际工程中应用，以1g/L木糖为底物运行时，电池最大功率密度达到870mw/m2，脱盐速率为137mM/d；单个电池独立运行时，废水通过管路在本发明的阳极室和阴极室之间循环，使阳极室产生的H+质子和阴极室产生的OH-离子相互中和，避免两室pH变化幅度过大不利于微生物生长代谢，使电池稳定高效运行；以多个电池单元组成电池组模式运行时，不同电池单元之间的阳极室H+质子和阴极室产生的OH-离子相互中和，单个电池单元内部pH相对稳定；本发明在处理废水的同时获得电能，并且实现脱盐的目的，本发明脱盐效率最高时外电阻范围在1-50欧姆范围内，输出功率最大值在100-300欧姆范围内，本发明结构简单，操作方便，降低了生产成本。
附图说明
图1是具体实施方式一所述电池的整体结构示意图，图2是具体实施方式二所述电池组的整体结构示意图，图3是具体实施方式三所述电池组的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池包括电池单元A，所述电池单元A包括反应器箱体1、阴离子交换膜2、阳离子交换膜3、阳极4、阳极导线5、空气阴极6和空气阴极导线7，所述反应器箱体1内由上至下依次设有阳极室1-1、脱盐室1-2和阴极室1-3，所述阴离子交换膜2位于阳极室1-1和脱盐室1-2之间，所述阳离子交换膜3位于脱盐室1-2和阴极室1-3之间，所述阳极4安装在阳极室1-1内，所述阳极导线5与阳极4连接，所述空气阴极6安装在阴极室1-3内，所述空气阴极导线7与空气阴极6连接，还包括连通管8和水泵9，所述水泵9的输入端与阳极室1-1的出水口连通，所述水泵9的输出端与连通管8的一端连通，所述连通管8的另一端与阴极室1-3的进水口连通。本发明由生活污水启动，启动时外电路负载为1000欧姆，当输出电压为50mV时更换底物，输出电压稳定三周后连续流运行，连续流运行时外电路负载范围在1-1000欧姆范围内调整，脱盐效率最高时外电阻范围在1-50欧姆范围内，输出功率最大值在100-300欧姆范围内。本实施方式中废水或生物质由阳极室1-1的进水口进入阳极室1-1被产电微生物氧化，电子传递到阳极并释放出H+质子，阳极溶液通过水泵9由连通管8进入阴极室1-3，与阴极室1-3内产生的HO离子中和产生水，最终由阴极室1-3的出水口排出或由阳极室1-1的进水口进入阳极室1-1内再次循环，阳极室1-1和阴极室1-3始终处于一个相对稳定的pH环境。
具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组，包括N个如具体实施方式一所述的电池单元A，第一个电池单元A的阴极室1-3的出水口与第二个电池单元A的阳极室1-1的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元A的阴极室1-3的出水口与第N个电池单元A的阳极室1-1的进水口连通，第一个电池单元A的脱盐室1-2的出水口与第二个电池单元A的脱盐室1-2的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元A的脱盐室1-2的出水口与第N个电池单元A的脱盐室1-2的进水口连通，所述N大于2，每个电池单元A的阳极室1-1的出水口与自身的阴极室1-3的进水口连通。本实施方式中第一个电池单元A的阳极室1-1的进水口出设有高压水泵，废水通过高压水泵注入第一电池单元A的阳极室1-1内。
具体实施方式三：如图3所示，本实施方式所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组包括N个如具体实施方式一所述的电池单元A，第一个电池单元A的阳极室1-1的出水口与第二个电池单元A的阴极室1-3的进水口连通，第一个电池单元A的阴极室1-3的出水口与第二个电池单元A的阳极室1-1的进水口连通，第一个电池单元A的脱盐室1-2的出水口与第二个电池单元A的脱盐室1-2的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元A的阳极室1-1的出水口与第N个电池单元A的阴极室1-3的进水口连通，第N-1个电池单元A的阴极室1-3的出水口与第N个电池单元A的阳极室1-1的进水口连通，第N-1个电池单元A的脱盐室1-2的出水口与第N个电池单元A的脱盐室1-2的进水口连通，第N个电池单元A的阳极室1-1的出水口与第N个电池单元A的阴极室1-3的进水口连通，所述N大于2。本实施方式中第一个电池单元A的阳极室1-1的进水口处设有高压水泵，第一个电池单元A的阴极室1-3的进水口处设有高压水泵，废水通过高压水泵注入第一个电池单元A的阳极室1-1内，经过被产电微生物氧化后产生的溶液经过N个电池单元A循环后通过高压水泵流回第一个电池单元A的阴极室1-3内。
工作原理
生活污水或生物质由阳极室1-1的进水口进入阳极室1-1内被产电微生物氧化，电子传递到阳极4并释放出H+质子，阳极室1-1内的溶液通过水泵9由连通管8进入阴极室1-3内，与阴极室1-3内产生的HO离子中和产生水，最终由阴极室1-3的出水口排出，阳极室1-1和阴极室1-3始终处于一个相对稳定的pH环境；在电池单元内部电势的作用下脱盐室1-2中的Cl离子通过阴离子交换膜2进入阳极室1-1内，脱盐室1-2中的Na+离子通过阳离子交换膜3进入阴极室1-3内，经过一段时间的电解后，脱盐室1-2中的NaCl被去除，脱盐室1-2内的盐水脱盐后通过脱盐室1-2的出水口排出。

Claims (3)

1.一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池，它包括电池单元(A)，所述电池单元(A)包括反应器箱体(1)、阴离子交换膜(2)、阳离子交换膜(3)、阳极(4)、阳极导线(5)、空气阴极(6)和空气阴极导线(7)，所述反应器箱体(1)内由上至下依次设有阳极室(1-1)、脱盐室(1-2)和阴极室(1-3)，所述阴离子交换膜(2)位于阳极室(1-1)和脱盐室(1-2)之间，所述阳离子交换膜(3)位于脱盐室(1-2)和阴极室(1-3)之间，所述阳极(4)安装在阳极室(1-1)内，所述阳极导线(5)与阳极(4)连接，所述空气阴极(6)安装在阴极室(1-3)内，所述空气阴极导线(7)与空气阴极(6)连接，其特征在于：所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池还包括连通管(8)和水泵(9)，所述水泵(9)的输入端与阳极室(1-1)的出水口连通，所述水泵(9)的输出端与连通管(8)的一端连通，所述连通管(8)的另一端与阴极室(1-3)的进水口连通。
2.一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组，其特征在于：所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组包括N个如权利要求1所述的电池单元(A)，第一个电池单元(A)的阴极室(1-3)的出水口与第二个电池单元(A)的阳极室(1-1)的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元(A)的阴极室(1-3)的出水口与第N个电池单元(A)的阳极室(1-1)的进水口连通，第一个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的出水口与第二个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的出水口与第N个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的进水口连通，所述N大于2，每个电池单元(A)的阳极室(1-1)的出水口与自身的阴极室(1-3)的进水口连通。
3.一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组，其特征在于：所述一种用于同步产电脱盐的连续流微生物燃料电池组包括N个如权利要求1所述的电池单元(A)，第一个电池单元(A)的阳极室(1-1)的出水口与第二个电池单元(A)的阴极室(1-3)的进水口连通，第一个电池单元(A)的阴极室(1-3)的出水口与第二个电池单元(A)的阳极室(1-1)的进水口连通，第一个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的出水口与第二个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的进水口连通，依此类推直至第N-1个电池单元(A)的阳极室(1-1)的出水口与第N个电池单元(A)的阴极室(1-3)的进水口连通，第N-1个电池单元(A)的阴极室(1-3)的出水口与第N个电池单元(A)的阳极室(1-1)的进水口连通，第N-1个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的出水口与第N个电池单元(A)的脱盐室(1-2)的进水口连通，第N个电池单元(A)的阳极室(1-1)的出水口与第N个电池单元(A)的阴极室(1-3)的进水口连通，所述N大于2。
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