CN102437360B - 多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置，主要包括中心腔室阳极室、不同直径可拆卸圆形隔板、不同直径可拆卸圆形电极板、装置密封盖、装置外壳；不同直径圆形隔板和不同直径圆形电极板均可灵活拆卸，组装后将装置隔离出连续的阳极室和阴极室，电极板两侧分别安装阳极和阴极，阴极安装在电极板外侧上部，形成多层次的闭合回路；水流在连续向上流动的过程中，水中有机物在微生物的催化作用下产生电子和质子，电子经外电路通过负载到达空气阴极，质子随水流流向阴极；随着水流依次流经圆形隔板形成的阳极室和阴极室，依次发生阳极反应和阴极反应，使污水得以净化，同时产电。

Description

多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置

技术领域

   本发明属于微生物燃料电池技术领域，确切地说是多电极连续流无膜空气阴

极微生物燃料电池装置。

背景技术

能源短缺和环境污染已成为全球性的两大危机，严重威胁着人类的生存和发展。我国社会经济30年来取得了举世瞩目的成就，但环境问题和能源短缺也日益突出，成为制约社会经济发展的瓶颈。其中环境问题之一——污水问题，由于其处理能耗大，运行管理费用高，以我国目前己运行污水处理厂的经验，处理每吨污水的能耗大约0.22-0.24kwh，年运行费用约占投资额的10%。因此，尽管其社会效益和环境效益显著，但经济效益并不明显，是一项投入大、产出少的行业，明显滞后于其它行业的发展。另一方面，我国由于人均能源资源短缺(尤其是油、气、水)，环境容量(亦是资源)有限，生态环境脆弱，也已极大的制约我国可持续发展以及中华民族子孙万代的生存空间。近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，而能源需求以前所未有的速率急剧增加，由于能源的生产和消耗所造成的室内空气污染、大气污染和生态破坏日益恶化，如我国释放的二氧化硫和二氧化碳排放量已分别居世界第一位和第二位。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，能源资源日渐枯竭。微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFCs），是在微生物的催化作用下将有机物质中的化学能直接转化为电能。而废水中大量的有机污染物可以作为MFC的“原材料”,使MFC产电的同时还能处理污水, 因此，MFC在污水处理领域的应用有望把污水处理变成一个有利可图的产业，对社会、环境和经济将产生不可估量的效益。因此，在能源紧张和环境问题日益突出的今天，MFC是解决环境污染和缓解能源短缺的最佳新型清洁能源方式之一。为了获取大功率和高的库仑效率，人们设计出了各种构型的反应器，如双室、单室、平板式、串联式、套筒式、管状式、间歇式、连续流式和堆栈式等等，但是都没有获得同步产电和污水净化的满意效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置。

提高产电效果和废水处理能力。本发明通过中心连续进水，在水流连续向上流动的过程中，水中有机物在阳极表面产电菌催化作用下发生氧化作用，产生电子和质子，电子经外电路通过负载到达空气阴极，质子随水流流向阴极，发生还原作用。随着水流依次流经圆形隔板形成的阳极室和阴极室，依次发生阳极反应和阴极反应，使污水得以净化，同时产电。为了使污水能彻底产电和出水水质好，本发明在阳极室外通过不同直径可拆卸圆形隔板和电极板将装置隔离出连续式阳极室和阴极室，电极板两侧分别安装阳极和阴极，形成多层次的闭合回路。为了减少曝气能耗，采用空气阴极。为了使空气阴极裸露在空气中，密封盖在阴极室位置留有通气孔，电极板外侧上半部分安装阴极，即阴极安装位置高于阴极室液面高度。为了水流能够在装置中重力流，阴极室液面高度随着远离进水口而降低。当处理高浓度污水时，为了获得满意的出水水质，可设置回流。

详细技术方案如下：装置包括阳极室、装置密封盖、装置外壳、进水口、出水口、回流管、导线、阳极、阴极、电化学测入口和负载，其特征在于：装置外壳内的阳极室外环绕有不同直径可拆卸圆形电极板，不同直径可拆卸圆形电极板间隔装有不同直径可拆卸圆形隔板，阳极下端有进水口，进水口通过回流管连接到出水口，装置外壳的密封盖上开有空气通风口、电极出口和电化学测入口。为连续进水，根据进水污水浓度，当污水浓度COD>1700mg/L, 进水口可设置回流。阳极3电极插入阳极室1，阳极室外侧为阴极，形成第一闭合电路，不同直径可拆卸圆形隔板和不同直径可拆卸圆形电极板将装置隔离出连续式阳极室和阴极室，电极板两侧分别安装阳极和阴极，且电极板高度随着远离中心阳极室而逐渐降低，电极板内侧安装阳极，外侧上半部分安装阴极，电极板两侧的阴阳极依次形成第二、第三、．．．．．．的闭合回路。不同直径可拆卸圆形隔板的个数，可根据污水处理效果和污水产电性能确定。

本发明的优点是：在污水得以净化的同时产电，具有较好的环保效果。

附图说明

图1是无隔板装置内部结构示意图；

图2是有隔板装置内部结构示意图；

图3是A-A剖面图；

图4是密封盖详图；

图5是可拆卸圆形隔板结构示意图；

图中：1-阳极室；2—不同直径可拆卸圆形电极板，3—阳极，4—电极出口，5—空气通风口，6—电化学测入口，7—密封盖，8—进水口，9—出水口，10—支撑柱，11—装置外壳，12—不同直径可拆卸圆形隔板，13—小圆柱，14—带槽底板，15—槽，16—回流管。

具体实施方式

本装置由阳极室、装置外壳、不同直径可拆卸圆形隔板、不同直径可拆卸圆形电极板、带槽底板和密封盖组成，本装置质子随水流到达阴极，所以无需使用质子交换膜，实现了降低造价的目的，本装置除了阳极室和装置外壳及带槽底板，其他圆行隔板和电极板均能灵活拆卸，连续运行，提高了产电效果和废水处理能力。见附图1和图2。装置包括阳极室、装置密封盖、装置外壳、进水口、出水口、回流管、导线、阳极、阴极、电化学测入口和负载，其特征在于：装置外壳11内的阳极室1外环绕有不同直径可拆卸圆形电极板2，不同直径可拆卸圆形电极板2间隔装有不同直径可拆卸圆形隔板12，阳极下端有进水口8，进水口8通过回流管16连接到出水口9，装置外壳11的密封盖7上开有空气通风口5、电极出口4和电化学测入口6。

为连续进水，根据进水污水浓度，当污水浓度COD>1700mg/L, 进水口可设置回流。阳极3电极插入阳极室1，阳极室外侧为阴极，形成第一闭合电路，不同直径可拆卸圆形隔板12和不同直径可拆卸圆形电极板2将装置隔离出连续式阳极室和阴极室，电极板两侧分别安装阳极和阴极，且电极板高度随着远离中心阳极室而逐渐降低，电极板内侧安装阳极，外侧上半部分安装阴极，电极板两侧的阴阳极依次形成第二、第三、．．．．．．的闭合回路。不同直径可拆卸圆形隔板的个数，可根据污水处理效果和污水产电性能确定。

在应用时具体操作如下：

①首次启动时，首先按照附图1连接装置，将阴极电极材料固定在中心阳极室外壁上，用带凹槽的圆柱型密封盖将中心阳极室密封，防止空气进入。密封盖上留有阳极电极、阴极电极出口，电极与导线、外电阻连接形成闭合电路。

②装置启动与运行，将阳极电极在使用前长时间放在厌氧颗粒污泥中形成生物膜后，插入阳极室，加快启动。对于高浓度有机废水先经过稀释后再投加，装置运行后第3天便达到稳定，阳极电极上富集了大量产电微生物。

③装置运行稳定后，根据污水浓度，按照附图2安装不同直径可拆卸圆形电极板和圆形隔板，形成多电极连续流空气阴极微生物燃料电池。在电极板两侧分别安装阳极和阴极，阴极安装在电极板外侧上半部分，形成多层次的闭合回路，必要时在出水口处设置回流管。在其他阳极室添加厌氧污泥。

Claims (4)

1.一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置，包括阳极室、装置密封盖、装置外壳、进水口、出水口、回流管、导线、阳极、阴极、电化学测入口和负载，其特征在于：装置外壳（11）内的阳极室（1）外环绕有不同直径可拆卸圆形电极板（2），不同直径可拆卸圆形电极板（2）间隔装有不同直径可拆卸圆形隔板（12），阳极下端有进水口（8），进水口（8）通过回流管（16）连接到出水口（9），装置外壳（11）的装置密封盖（7）上开有空气通风口（5）、电极出口（4）和电化学测入口（6）。

2.根据权利要求1所述的一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置，其特征在于：为连续进水，根据进水污水浓度，当污水浓度COD>1700mg/L, 进水口可设置回流。

3.根据权利要求1所述的一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置，其特征在于：阳极（3）电极插入阳极室（1），阳极室外侧为阴极，形成第一闭合电路，不同直径可拆卸圆形隔板（12）和不同直径可拆卸圆形电极板（2）将装置隔离出连续式阳极室和阴极室，电极板两侧分别安装阳极和阴极，且电极板高度随着远离中心阳极室而逐渐降低，电极板内侧安装阳极，外侧上半部分安装阴极，电极板两侧的阴阳极依次形成第二、第三、．．．．．．的闭合回路。

4.根据权利要求1所述的一种多电极连续流无膜空气阴极微生物燃料电池装置，其特征在于：不同直径可拆卸圆形隔板的个数，可根据污水处理效果和污水产电性能确定。

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