CN102412409B - 一种基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置。它包括阳极室、阳极电极、阴极电极、外电路和膜，还包括土壤有机质提取系统，其包括通过管道依次相连的渗液计、集液装置、蠕动泵，蠕动泵的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室相连，在集液装置上部还连有泵。土壤中含有有机质的水分进入渗液计中再储存到集液装置中通过蠕动泵定量输送到阳极室内进行微生物燃料电池的发电，从而避免有机质和质子在土壤中的传质阻力，提高微生物燃料电池的效率，同时由于将有机质提取贮存，定量输入微生物燃料电池系统，因此减少了光照时间因素对土壤中有机质影响的作用，进而减少了基于土壤有机质的微生物燃料电池的电压变化因素，有利于电压的稳定输出。
Description
技术领域：
本发明属于资源循环利用的可再生能源领域，具体涉及一种将土壤中有机质提取并通过微生物的催化作用而产电的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置。
背景技术：
微生物燃料电池是一种利用微生物的作用进行能量转换的装置。通常微生物燃料电池分为阳极室和阴极室，并通过膜将两室分开。阳极以微生物为催化剂，催化进入阳极室的有机质发生氧化还原反应，并将在此过程中产生的电子传输到阳极，在通过外电路负载到达阴极。细菌降解有机质所产生的质子从阳极室通过膜到达阴极，在阴极上与电子受体反应，由此产生电流。
植物通过叶绿素进行光合作用，固定CO2合成碳水化合物。依据植物的种类及环境条件，大约有60％的被固定C会输入到根部。研究表明.土壤有机质总数的30％～40％来自根分泌物和死亡的根。主要有：(1)糖类、有机酸等；(2)高分子碳水化合物和酶等；(3)死亡的细胞物质；(4)乙烯等气体物质。目前的研究表明糖类和有机酸等都可作为微生物燃料电池的燃料。但对于目前的以土壤中有机质为燃料微生物燃料电池系统存在的主要问题是由于土壤中传质阻力导致电压过小。并且由于植物的光合作用对光照依赖较大，导致白天和夜晚的电压变化比较大。
发明内容：
为了克服现有以土壤中有机质为燃料的微生物燃料电池系统的不足，本发明提出一种新的基于土壤有机质的微生物燃料电池装置，该装置不仅可以克服土壤传质的阻力，而且还可以减少对光照的依赖。
本发明主要通过土壤有机质提取装置将土壤中有机质进行分离，分离后的有机质在进入微生物燃料电池系统，以此提高基于土壤有机质的微生物燃料电池的效率，从而实现了本发明的目的。
本发明的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统，该微生物燃料电池系统包括阳极室、阳极电极、阴极电极、外电路和膜，其特征在于，还包括土壤有机质提取系统，该土壤有机质提取系统包括通过管道依次相连的渗液计、集液装置、蠕动泵，蠕动泵的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室相连，在集液装置上部还连有泵。
所述的渗水计优选为多孔陶瓷渗水计。
所述的集液装置上部的泵可为手动或电动的真空泵，泵的作用是使渗水计及其周围形成负压，以便土壤中含有有机质的可自由移动的水分透过渗水计的孔进入渗水计中。
所述的阳极室内的微生物优选为α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)和人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)；β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的铁还原红育菌(Rhodofoferax ferrireducens)；γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophilia)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和希万氏菌(Shewanellaputrefactions)、S.oneidensis；δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、金属还原地杆菌(G.metallireducens)、Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸硫叶菌(Desulfoblbus propionicus)，此外，还有厚壁菌门的丁酸梭菌(Clostridium butyricum)和拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)，酸杆菌门(Acidobacteria)的Geothrix fermentan中的一种或几种混合。
所述的阳极电极和阴极电极的电极材料优选为网状玻璃碳、石墨电极、石墨棒、石墨电刷、碳布、石墨板、碳纸、碳棒中的一种或几种。
所述的微生物燃料电池系统的膜优选为质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。
所述的微生物燃料电池系统还具有阴极催化剂，所述的阴极催化剂优选为Pt催化剂或生物阴极。
在集液装置和蠕动泵之间优选设有开关，便于控制。
本发明的基于土壤有机质的微生物燃料电池装置是这样运行的：将渗液计放入土壤中，开启泵，泵使得渗液计及其周围形成负压，一段时间后，土壤中含有有机质的可自由移动的水分进入渗液计中，收集到得溶液在集液装置中贮存，再通过蠕动泵将集液装置中的溶液定量输送到微生物燃料电池系统的阳极室内进行微生物燃料电池的发电。
本发明与常规的基于土壤中有机质的微生物燃料电池相比，由于本发明中采用了土壤有机质提取系统，土壤中的含有有机质的水分进入渗液计中，收集存储在集液装置中，再通过蠕动泵定量输送到微生物燃料电池系统的阳极室内进行微生物燃料电池的发电。这样就避免了有机质和质子在土壤中的传质阻力，提高了微生物燃料电池的效率，同时由于将有机质提取贮存，定量输入微生物燃料电池系统，因此减少了光照时间因素对土壤中有机质影响的作用，并进而减少了基于土壤有机质的微生物燃料电池的电压变化因素，有利于电压的稳定输出。因此本发明的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置具有效率高，电压稳定输出，对光照依赖少的优点。
附图说明：
图1是本发明的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置的结构示意图；
其中1、多孔陶瓷渗液计；2、开关；3、电动真空泵；4、集液瓶；5、蠕动泵；6、阳极室、7、质子交换膜；8、阴极电极；9、阳极电极；10、外电路；11、出料口。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示，本实施例的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统和土壤有机质提取系统，所述的微生物燃料电池系统采用单室空气阴极系统，包括阳极室6、碳毡阳极电极9、外电路10、质子交换膜7、碳毡阴极电极8，阳极室6下部具有出料口11，出料口上安有开关，所述的质子交换膜7和碳毡阴极电极8热压在一起，用Pt催化剂催化阴极反应。所述的土壤有机质提取系统包括通过管道依次连接的多孔陶瓷渗液计1、集液瓶4、蠕动泵5，蠕动泵的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室6相连，在集液瓶4的上盖上还连有电动真空泵3，在集液瓶4和蠕动泵5之间还设有开关2。
本实施例是这样运行的：首先在土壤中钻取一定直径的空穴，插入用水润湿的多孔陶瓷渗液计1，渗液计1尾部根据需要可连接长度不等的PVC管，PVC管可与电动真空泵3相连，通过电动真空泵3的作用使渗液计1周围形成负压，一段时间后，土壤中含有有机质的可自由移动的水分渗过多孔陶瓷头进入多孔陶瓷渗液计1中，将收集到得溶液集中存储在集液瓶4中，在收集土壤中的水分的过程中，可以将开关2关闭，溶液收集后，打开开关2，再通过蠕动泵5将集液瓶4中的溶液经进料口定量输送到阳极室6中进行微生物燃料电池发电。阳极室6内接种的微生物来源于海底污泥，在阳极电极9上的微生物的作用下反应产生电子，电子通过外电路10达到阴极电极8，在Pt催化剂作用下，和氧气反应生成水，构成回路而产生电流。反应后的溶液从出料口11回流到土壤中。
Claims (8)
1.一种基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，包括微生物燃料电池系统，该微生物燃料电池系统包括阳极室、阳极电极、阴极电极、外电路和膜，其特征在于，还包括土壤有机质提取系统，该土壤有机质提取系统包括通过管道依次相连的渗液计、集液装置、蠕动泵，蠕动泵的输出口与微生物燃料电池系统的阳极室相连，在集液装置上部还连有泵。
2.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的渗液计为多孔陶瓷渗液计。
3.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的集液装置上部的泵为手动或电动的真空泵。
4.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的阳极室内的微生物为沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi）、铁还原红育菌（Rhodofoferax ferrireducens）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、希万氏菌(Shewanellaputrefactions)、S.oneidensis；硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）、金属还原地杆菌（G.metallireducens）、Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸硫叶菌（Desulfoblbuspropionicus）、丁酸梭菌（Clostridium butyricum）、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）和Geothrix fermentan中的一种或几种混合。
5.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的阳极电极和阴极电极的电极材料为网状玻璃碳、石墨电极、碳布、碳纸、碳棒中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的微生物燃料电池系统的膜为阳离子交换膜或阴离子交换膜。
7.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，所述的微生物燃料电池系统还具有阴极催化剂，所述的阴极催化剂为Pt催化剂。
8.根据权利要求1所述的基于土壤中有机质的微生物燃料电池装置，其特征在于，在所述的集液装置和蠕动泵之间还设有开关。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |