CN102790231A - 一种以猪场废水为燃料的双圆筒型微生物燃料电池 - Google Patents

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朱衷榜
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Abstract

一种以猪场废水为燃料的双圆筒型微生物燃料电池，包括阳离子交换膜、石墨碳毡或碳纤维、负载R、圆筒外壁、布气器、曝气机、蠕动泵、阴极室、阳极室、循环水管、甘汞电极、橡皮塞、石墨棒、电夹、数据采集器、笔记本电脑。该电池对猪场废水的有机物去除率能够达到传统厌氧工艺有机物去除的较高水平，同时可降低反应器成本，提高产电效率。

Description

一种以猪场废水为燃料的双圆筒型微生物燃料电池
 
技术领域
本发明涉及一种可以去除猪场废水的有机物并进行产电的装置，属于微生物燃料电池和猪场废水处理技术领域。
背景技术
长期以来，以厌氧生物处理和好氧生物处理为主的传统猪场废水处理技术主导污水处理领域多年，但由于其昂贵的污水处理成本和对高浓度的废水的限制，越来越受到如今全球性能源紧缺问题的制约了，也成为了我国经济进一步发展的阻碍。有机废水中含有大量的易生物降解的有机物质，而传统的污水处理技术并不能有效地利用之，同时往往还伴有环境污染问题的产生。如果能有效的利用这些物质，并将其转化成无污染的清洁能源，便可以克服传统污水处理技术的固有弊端，并将从根本上缓解水污染和能源短缺的问题。 
微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)技术作为一种新型的污水处理技术，具有净化污水的同时能直接获得电能输出的作用，近年来受到国际学术界的广泛关注，被视作一种高效益、低能耗、清洁环保的处理技术。它不仅是污水处理技术的优化，更是污水处理理念的革新，具有巨大的发展潜力。但由于受到众多技术方面因素的制约，MFC离实际应用尚有一段距离，目前相关研究才刚刚起步。
目前由于MFC产电功率密度低，电极材料和交换膜造价昂贵，反应器构型的不确定，有关MFC的研究仍处于实验阶段，还很难实现商业化应用。因此，需要在充分把握MFC多学科交叉的特点上，开展MFC的电化学特性与有机物降解效果的基础研究。故研发适合有机废水处理特点的双圆筒型微生物燃料电池(DCMFC)，进一步提高MFC的产电功率密度和降低基础建设与运行成本费用，对其实际应用研究具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种集猪场废水及其他污水处理和产电于一体的新型微生物燃料电池。
本发明所述双圆筒型微生物燃料电池的组成包括阳离子交换膜、石墨碳毡或碳纤维、负载R、圆筒外壁、布气器、曝气机、蠕动泵、阴极室、阳极室、循环水管、甘汞电极、橡皮塞、石墨棒、电夹、数据采集器、笔记本电脑。
装置的主体采用长200mm、内径120mm的圆柱形有机玻璃圆管制成，内筒采用阳离子交换膜围成长200mm、直径80mm的圆柱状，内筒为阴极室，内筒与外筒之间围成阳极室，阴极室和阳极室的空床容积均为1L，加入电极后的阳极室有效容积为650mL；阴极电极采用长200mm、直径20mm的石墨棒，表面积125.6 cm2；阳极电极采用厚3mm的碳毡，14cm×18cm，表面积为252cm2；阳极室上端设有一圆形口，用于取样及电极电势测量，设橡胶封盖；阳极室底部布设环状曝气管；圆柱体外壁对称面上下侧开有进出水口各一个，外与蠕动泵通过循环水管相接；使用带电极采用钛丝引出，外电路导线使用铜丝导线，外接可变电阻负载R；采集器与负载R两端连接，再接电脑，储存、显示采集的数据。
本发明的优点在于：
①    电极采用低廉的碳毡电极和石墨棒，降低反应器成本，并提高了产电效率。
②    反应器采用有机玻璃作为主要材料，使用有机溶剂溶解有机玻璃，使有机玻璃与质子交换膜之间的缝隙完全融合密实，阴极室与阳极室隔密封性强。
③    DCMFC反应器可拆卸，便于反应器定期冲洗，和对阳极电极材料进行调整改造。
④    双圆筒型装置的构造和碳毡电极的使用，减小了电极间的传质间距，降低MFC的传质阻力，提高了装置的产电能量。
⑤    装置运行稳定，产电特征较明显。
⑥    双圆筒型微生物燃料电池对猪场废水的有机物去除率能够达到传统厌氧工艺有机物去除的较高水平。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图中1. 离子交换膜2.石墨碳毡或碳纤维3.负载R4.圆筒外壁5.布气器6.曝气机7.蠕动泵8.阴极室9.阳极室10.循环水管11.甘汞电极12.橡皮塞13.石墨棒14.电夹15.数据采集器16.笔记本电脑。
图2为利用本发明处理猪场废水的启动过程输出电压变化情况。
图中横坐标为时间/h，纵坐标（左）为输出电压/mV，纵坐标（右）为阳极电极电势/mV，■为输出电压，★阳极电势。A.第一次注入阳极底物B.第二次更换阳极底物C.第三次更换阳极底物D.第四次更换阳极底物。
图3为利用本发明处理猪场废水初始COD浓度为933.70mg/L的结果图。
图中横坐标为时间/h，纵坐标（左）为输出电压/mV，纵坐标（右）为阳极电极电势/mV，■为输出电压，▲阳极电势。
图4为利用本发明处理猪场废水的极化曲线测试结果图。
图中横坐标为电流/mA，纵坐标（左）为输出电压/mV，纵坐标（右）为功率密度/mW﹒m2--， 1-7为伏安曲线，8-14为极化曲线。
具体实施方式
结合附图加以说明
图1为本发明结构示意图。本发明所述双圆筒型微生物燃料电池的组成包括阳离子交换膜、石墨碳毡或碳纤维、负载R、圆筒外壁、布气器、曝气机、蠕动泵、阴极室、阳极室、循环水管、甘汞电极、橡皮塞、石墨棒、电夹、数据采集器、笔记本电脑。
装置的主体采用长200mm、内径120mm的圆柱形有机玻璃圆管制成，内筒采用阳离子交换膜围成长200mm、直径80mm的圆柱状，内筒为阴极室，内筒与外筒之间围成阳极室，阴极室和阳极室的空床容积均为1L，加入电极后的阳极室有效容积为650mL。阴极电极采用长200mm、直径20mm的石墨棒，表面积125.6 cm2；阳极电极采用厚3mm的碳毡，14cm×18cm，表面积为252cm2。阳极室上端设有一圆形口，用于取样及电极电势测量，设橡胶封盖。阳极室底部布设环状曝气管。圆柱体外壁对称面上下侧开有进出水口各一个，外与蠕动泵通过循环水管相接。使用带电极采用钛丝引出，外电路导线使用铜丝导线，外接可变电阻负载R。采集器与负载R两端连接，再接电脑，储存、显示采集的数据。
图2为利用本发明处理猪场废水的启动过程输出电压变化情况，首先在650mL的阳极室注入表2.2中的浓度为1000mgCOD/L的葡萄糖培养基500mL，实际猪场废水150mL（约占25%），在阴极中注满30mM的K3[Fe(CN)6]和10mM的KCl溶液。输出电压采集曲线依次经过上升、稳定和下降这一周期后，用50%的实际猪场废水与模拟废水混合物更换阳极液，则进入下一产电周期，之后依次按照25%的比例逐步提高到全部使用猪场废水更换阳极液，DCMFC当经过4次（D）更换阳极底物后，电压可立即恢复到前期水平并稳定，此时可认为产电微生物对实际废水已经驯化完成了。
图3为利用本发明处理猪场废水初始COD浓度为933.70mg/L的结果图。整个过程持续产电时间达98.1h（输出电压降至200mV定为终点），产电平台持续时间约75.0h。其阳极电势能达-391mV，输出电压最高达534mV，电流达5.34mA，输出功率达2.85mW（114mW/m2），COD去除率达到67.87%。
图4为利用本发明处理猪场废水的极化曲线测试结果图。将初始COD浓度从200mg/L提高到1000mg/L可以将最大功率密度从428.65mW/㎡（18.90mA）提高到723.84mW/㎡（34.73mA）。之后继续提高初始COD浓度至1500mg/L和2000mg/L，获得的最大功率分别为599.14mW/㎡（31.60mA）和735.00mW/㎡（35.00mA）。

Claims (1)

1.一种以猪场废水为燃料的双圆筒型微生物燃料电池，其特征在于：所述双圆筒型微生物燃料电池包括阳离子交换膜、石墨碳毡或碳纤维、负载R、圆筒外壁、布气器、曝气机、蠕动泵、阴极室、阳极室、循环水管、甘汞电极、橡皮塞、石墨棒、电夹、数据采集器、笔记本电脑；
装置的主体采用长200mm、内径120mm的圆柱形有机玻璃圆管制成，内筒采用阳离子交换膜围成长200mm、直径80mm的圆柱状，内筒为阴极室，内筒与外筒之间围成阳极室，阴极室和阳极室的空床容积均为1L，加入电极后的阳极室有效容积为650mL；阴极电极采用长200mm、直径20mm的石墨棒，表面积125.6 cm2；阳极电极采用厚3mm的碳毡，14cm×18cm，表面积为252cm2；阳极室上端设有一圆形口，用于取样及电极电势测量，设橡胶封盖；阳极室底部布设环状曝气管；圆柱体外壁对称面上下侧开有进出水口各一个，外与蠕动泵通过循环水管相接；使用带电极采用钛丝引出，外电路导线使用铜丝导线，外接可变电阻负载R；采集器与负载R两端连接，再接电脑，储存、显示采集的数据。
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