CN102891333A

CN102891333A - 一种可变构型土壤微生物燃料电池

Info

Publication number: CN102891333A
Application number: CN2011102029551A
Authority: CN
Inventors: 邓欢; 肖勇; 赵峰
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明基于土壤中细菌数量庞大和物种丰富的特点，以土壤作为微生物燃料电池中的微生物来源，通过向土壤中混合葡萄糖或其他可溶性有机碳进行产电。与采用纯菌或者活性污泥相比，土壤的获取更加便捷，而且几乎没有成本，因而是燃料电池的理想的微生物来源。该电池可以通过拆装实现单室构型和双室构型的转换。两种构型结构简单，且结构间转换方便，转换过程不破坏阳极室环境，能满足在不同电子受体条件下的运行。其中单室构型以空气中的氧气为电子受体，双室构型以铁氰化钾溶液为电子受体。当碳源底物耗尽导致产电量下降时，可以向该电池注入葡萄糖或其他可溶性有机碳溶液以恢复产电。

Description

一种可变构型土壤微生物燃料电池

技术领域

本发明属于绿色新能源技术领域。涉及一种构型可变的，以土壤为微生物来源，依靠外源添加的葡萄糖或其他可溶性有机碳实现产电的装置。

背景技术

微生物燃料电池是一种利用微生物的催化，将储存于有机物的化学能转换为电能的装置。该装置由阳极区、阴极区和外接负荷组成。阳极区的微生物在厌氧条件下分解有机底物以维持产电及微生物的生长。有机物在阳极被分解并产生电子。电子由阳极经外部电路传导至阴极，与电子受体结合从而形成电流。微生物燃料电池是一种绿色新能源技术，在近几年得到广泛深入研究，为解决能源短缺问题提供了一条新途径。

已有的研究中多采用纯菌或者污水处理产生的活性污泥作为微生物燃料电池的微生

物来源，但是这些材料来源相对比较特殊，难以随时随地获取。

土壤被称为微生物的大本营，通常每克土壤中含有约10亿个细菌，而且蕴藏着丰富的微生物种类，其中不乏大量的厌氧细菌。这为从土壤中驯化出产电细菌创造了有利条件。另外，采用土壤为MFC提供电能的优势还在于土壤分布广泛，基本上可以随时随地获取，而且几乎没有成本，是提供辅助电能的理想材料。

已有研究表明外加葡萄糖或者其他可溶性有机碳是提高微生物活性重要手段，为土壤提供外加碳源能够缩短电池启动时间，并提高产电量。

微生物燃料电池分为单室结构和双室结构，单室结构的阳极和阴极在同一个反应器内，而双室结构的阳极和阴极由反应器中的离子交换膜隔开。单室结构的优点在于内阻比较小，缺点在于阳极的厌氧条件不如双室结构，而且通常采用氧气作为电子受体，氧气具有的较高过电位限制了电流；双室结构的优点在于阳极室具有严格的厌氧环境，且多采用活化能较低的铁氰化钾作为电子受体，从而有利于提高电流，缺点在于离子交换膜的存在提高了电池内阻，而且铁氰化钾溶液需要定期更换。

发明内容

技术方案：本发明的目的是提供一种可变构型的土壤微生物燃料电池，该电池以土

壤中数量庞大、种类繁多的细菌作为燃料电池中产电细菌的来源，以外加葡萄糖或者其他可溶性有机碳作为有机物的主要来源。该电池可以在阳极室环境不受破坏的情况下，实现利用铁氰化钾作为电子受体的双室构型和采用空气阴极的单室构型之间的转换。这种单、双室构型的灵活转换有利于电池在不同电子受体条件下实现产电。具有土壤获取容易，成本低廉、构型可变，拆装方便以及可持续产电的特点。

具体的运用方法为：

A、单室构型将连接导线的阳极铺在阳极室中，导线刺穿橡胶塞从阳极导线管引出，橡胶塞则塞住阳极导线管。土壤与5-10%（w/w）葡萄糖或其他可溶性有机碳混匀之后倒入阳极室并覆盖住阳极。向阳极室加水至刚刚没过上方的十字支架。再将阴极放置在十字支架上，导线从反应器上方引出。将阳极导线、阴极导线和外阻串联形成回路。当电压持续下降时，可以打开排水阀门，放出少量电极溶液，再从阳极导线管注入相同体积含葡萄糖或其他可溶性有机碳的溶液以恢复产电。需要清空反应器时，打开总阀门将土壤和水溶液排出

B、双室构型从上述单室构型中将阴极连同导线从十字支架上移出，将一张橡胶圈置于阴极室带螺孔的裙边上，然后把直径略大于橡胶圈内径的阳离子交换膜放置在橡胶圈上，再取相同规格的橡胶圈压在阳离子交换膜上，同时把直径小于橡胶圈内径的阴极放置在离子交换膜上，橡胶圈上再放置裙边带有螺孔的阴极室。最后用六根螺栓穿透阴极室裙边上、两张橡胶圈上和阳极室群边上的六个螺孔，并用螺帽拧紧固定。阴极导线从阴极室中引出并向阴极室中注入铁氰化钾溶液。从阳极导线管向阳极室注水至水位达到阳离子交换膜的位置。注水完毕以后用穿有阳极导线的橡胶塞将阳极导线管塞紧。阳极导线通过负载与阴极导线连接并开始产电。当电压持续下降时，可以打开排水阀门，放出少量电极溶液，再从阳极导线管注入相同体积含葡萄糖或其他可溶性有机碳的溶液。需要清空反应器时，打开总阀门将土壤和水溶液排出。

有益效果：本发明采用获取方便、成本低廉的土壤作为微生物燃料电池中微生物的来源，能够快速实现单室构型和双室构型的转换，使得该燃料电池能够在不同电子受体的条件下产电，并且构型的转换不破坏阳极室的环境，从而大大增强了微生物燃料电池运行的持续性，特别适合在野外提供辅助电能。

附图说明

图1为本发明所述可变构型土壤微生物燃料电池示意图。

图中标示：

A—单室结构，B—双室结构，1—总阀门，2—排水阀门，3—阳极，4—阳极室，5—十字支架，6—阳极导线管，7—阳极室带螺孔的裙边，8—阴极，9—阳离子交换膜，10—带螺孔的橡胶圈，11—阴极室，12—阴极室带螺孔的裙边，13—螺栓，14—螺帽和15—橡胶塞。

具体实施方式

本发明提供了一种可变构型的土壤微生物燃料电池，以下结合附图对具体实施方式加以说明。

例一：在单室结构（A）中，反应器高度30 cm，外部直径15 cm，壁厚0.4 cm。阳极（3）采用20 cm×20 cm碳布，阴极（5）采用直径15cm碳布。将阳极导线一端从阳极导线管（6）引出，并穿出橡胶塞（15）后，把阳极导线管用橡胶塞塞紧；导线另一端与阳极（3）碳布连接。将碳布置于阳极室（4）中，向阳极室倒入混有6%葡萄糖的1000 g鲜土，加蒸馏水至没过十字支架（5）；把阴极（8）碳布平铺在十字支撑架上，保证水面刚没过阴极碳布。阴极导线从反应器上方引出，阳极导线和阴极导线用1 kΩ电阻连接。48小时后，电阻两端电压升至70 mV，120小时后，降至30 mV，为一个周期。此时打开排水阀门（2），放出约40 ml电极溶液，再从阳极导线管（6）注入40 ml葡萄糖溶液使得土壤中新注入的葡萄糖含量仍达到6%。经过5个周期的驯化，电阻两端电压最高升至155 mV，电流密度达到3.88 mA/m²

例二：在双室结构（B）中，阳极（3）采用20 cm×20 cm碳布，阴极（5）采用直径15 cm碳布。将阳极导线一端从阳极导线管引出，并穿出橡胶塞（15）后，把阳极导线管（6）用橡胶塞（15）塞紧；导线另一端与阳极（3）碳布连接。将碳布置于阳极室（4）中，向阳极室倒入混有6%葡萄糖的500 g鲜土。将一张厚度5 mm带有螺孔的橡胶圈（10）置于阳极室带螺孔的裙边（7）上，将内径略大于橡胶圈（10）内径的阳离子交换膜（9）放在胶圈内缘上，然后再压上一张相同的的橡胶圈（10），在阳离子交换膜上放置一张直径15cm碳布作为阴极（8），最后将裙边带有螺孔的阴极室（11）压在橡胶圈上，碳布用钛丝连接，钛丝作为阴极导线从阴极室（11）上方引出。最后是采用6根螺栓（13）依次穿过阳极室带螺孔的裙边（7），两张厚度5 mm带有螺孔的橡胶圈（10），以及阴极室带螺孔的裙边（12），用螺帽（14）固定。接着拧开橡胶塞（15），向阳极室（4）注入蒸馏水直至水位达到阳离子交换膜（9）的位置，再将橡胶塞（15）塞紧阳极导线管（6）。再从阴极室（11）上方注入40 ml浓度8%的铁氰化钾溶液。阳极导线和阴极导线用1 kΩ电阻连接。48小时后，电阻两端电压升至120 mV，120小时后，降至40 mV，为一个周期。此时打开出水阀门，放出约40 ml电极溶液，再从阳极导线管注入40 ml葡萄糖溶液并恢复水位。经过4个周期的驯化，电阻两端电压最高升至290 mV，电流密度达到7.25 mA/m²。

Claims

1.一种可变构型土壤微生物燃料电池，该电池的单室结构（A）和双室结构（B）均包含总阀门（1），排水阀门（2），阳极（3），阳极室（4），十字支架（5），阳极导线管（6），阳极室带螺孔的裙边（7）和阴极（8）；双室结构另外还包括：阳离子交换膜（9）、带螺孔的橡胶圈（10）、阴极室（11），阴极室带螺孔的裙边（12）、螺栓（13）螺帽（14）和橡胶塞（15）。

2.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于阳极和阴极包括碳布、碳纸、碳毡、石墨板、不锈钢板、不锈钢网、钛板、钛网。

3.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于电池运行时用橡胶塞（15）堵住阳极导线管（6），导线刺穿橡胶塞（15）从阳极导线管（6）引出；单室结构（A）阴极导线从反应器上方引出，双室结构（B）阴极导线从阴极室（11）上方引出，导线采用钛丝或铜丝，将阳极、阴极和负载串联起来形成回路。

4.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于双室结构中阳离子交换膜（9）直径稍大于橡胶圈（10）内径，但不遮挡橡胶圈螺孔，以便固定在两张橡胶圈之间，然后采用螺栓（13）从上往下依次穿透阴极室带螺孔的裙边（12）、带螺孔的橡胶圈（10）和阳极室带螺孔的裙边（7）并用螺帽（14）固定。

5.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于阳极导线管（6）采用透明有机玻璃制成，以便通过观察阳极导线管（6）的水位获知阳极室（4）水位。

6.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于阳极室充灌的土壤高度不超过排水阀门（2）的位置；水面高度达到单室结构（A）阴极（8）或双室结构（B）的阳离子交换膜（9）的位置，各种类型土壤均可使用，但不包含江河湖泊以及海水底泥。

7.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于该燃料电池可实现单室结构（A）和双室结构（B）的转换。

8.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于向双室结构的阴极室注入浓度4%-8%的铁氰化钾作为电子受体，单室结构以空气中的氧气作为电子受体。

9.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于为了加速并提高土壤中微生物产电，在阳极室同时加入5%~10%的葡萄糖（w/w）或其他可溶性有机碳。

10.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于当电压持续下降时，可以打开排水阀门（2）将水放出，然后从阳极导线管（6）注入含葡萄糖或其他可溶性有机碳的溶液；对于双室结构（B），阳极导线管还起到显示水位的作用，当液面达到或超过阳离子交换膜（9）的位置时，表明阳极室内的水位与阳离子交换膜（9）接触，满足产电要求。

11.根据权利要求1所述的土壤微生物燃料电池，其特征在于当需要清空反应器时，可以打开总阀门（1）将土壤和溶液全部排出。