CN103268950A - 一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池 - Google Patents

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陈慧
张吉强
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Abstract

本发明公开了一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池。它包括旋转电机、导电刷、外电路、质子交换膜、阳极立方形反应器、阴极立方形反应器；阳极立方形反应器包括进水管、出水管、阳极托架、阳极液、阳极室、转盘式氨氧化菌挂膜阳极，阳极室侧壁设有进水管、出水管，阳极室内设有阳极托架、阳极液、转盘式氨氧化菌挂膜阳极，转盘式氨氧化菌挂膜阳极包括石墨棒、圆形碳毡片，阴极立方形反应器包括阴极、阴极液、阴极室。本发明以无机物氨为原料，能同时实现氨氧化和生物产电，转盘式氨氧化菌挂膜阳极能有效控制生物膜表面溶解氧浓度，阳极液中加有电子介体，能帮助传导电子，电池产电性能好，能源利用率高。

Description

一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及氨氧化微生物燃料电池，尤其涉及一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池。
背景技术
氨氮是许多废水的主要无机污染物，它是引发水体富营养化的重要因子，已被列入国家污染物控制指标。生物脱氮是目前最经济有效的废水脱氮手段。在废水生物脱氮中，氨氮通过硝化、反硝化或厌氧氨氧化等生物反应，最终以氮气的形式脱除。 
微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）可将污染物直接转化为电能，达到治污和产电双重目的。迄今为止，文献报道的MFC主要以有机物为燃料，罕见以无机物特别是氨为燃料。氨氧化可释放大量电子，因此氨是MFC的潜在燃料。有研究者采用生物电解池（MEC）试验了废水生物脱氮性能，他们将阳极表面生物膜硝化作用释放的电子用于阴极表面生物膜的反硝化作用，成功实现了氨氮和硝氮的同时去除。
在氨氧化微生物燃料电池（Ammonia-oxidation microbial fuel cell，AO-MFC)中，氨释放的电子分别流向氨单加氧酶（AMO）、Cyt aa3氧化酶和电极，依次用于触发氨氧化、合成ATP和产生电流，溶解氧（DO）既是AMO的基质，也是Cyt aa3氧化酶的基质，控制着三者之间的电子分配。若DO浓度过高，将使电子流偏向Cyt aa3氧化酶，导致流向阳极的电子减少，从而降低产电性能；若DO浓度过低，则无法顺利触发氨氧化反应，使电池丧失产电性能。
亚甲基蓝是一种氧化还原活性物质，能够发生可逆性氧化还原反应，可被用为微生物燃料电池的电子介体，以促进产电。亚甲基蓝能够从氨氧化菌的电子传递链中捕获电子而被还原，因此，当其浓度过高时，会对氨氧化细菌产生抑制作用；但在浓度低于10-4 mol/L情况下，亚甲基蓝的抑制作用大大减弱，而且在AO-MFC中，被氨氧化菌还原的亚甲基蓝能够重新被阳极氧化并将电子传递给阳极，从而促进产电。迄今为止，所见的以氨为燃料MFC，要么阳极处于缺氧状态，要么直接对阳极液进行曝气，较难控制DO浓度，容易造成阳极DO过低或过高，从而严重影响MFC产电性能；已知的氨氧化菌自身不能合成电子介体，主要依靠生物膜中产电菌与阳极表面直接接触而传递电子，因此，产电性能较低。
针对现有以氨为燃料MFC的上述缺陷，本发明以氨氧化菌为产电菌，在去除氨氮的同时，获取了电能，实现了无机污染物的去除和能源的回收利用；采用转盘式充氧法使阳极生物膜在缺氧状态和好氧状态之间来回切换，通过调节旋转速度可以很好地控制阳极生物膜表面DO浓度，既能顺利启动氨氧化，又能防止电子流过度偏向Cyt aa3氧化酶，从而使电极获得更多的电子；外源添加亚甲基蓝为电子介体，可以辅助氨氧化菌和电极之间的电子传递，提高产电性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池。
转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池包括旋转电机、导电刷、外电路、质子交换膜、阳极立方形反应器、阴极立方形反应器；阳极立方形反应器通过质子交换膜与阴极立方形反应器相连，阳极立方形反应器包括进水管、出水管、阳极托架、阳极液、阳极室、转盘式氨氧化菌挂膜阳极，阳极室侧壁设有进水管、出水管，阳极室内设有阳极托架、阳极液、转盘式氨氧化菌挂膜阳极，转盘式氨氧化菌挂膜阳极包括石墨棒、圆形碳毡片，石墨棒穿过多个圆形碳毡片圆心形成串状结构，石墨棒一端与阳极托架相连，石墨棒另一端穿过阳极室侧壁与旋转电机相连，旋转电机与阳极室侧壁之间的石墨棒上设有导电刷，导电刷通过外电路与阴极相连，阴极立方形反应器包括阴极、阴极液、阴极室，阴极室内设有阴极、阴极液。
所述的阳极液为含有氯化铵的产电基质，其中所加的电子介体为亚甲基蓝，其浓度低于10-4 mol/L；所述的阴极液为含有高锰酸钾的磷酸盐缓冲溶液，高锰酸钾浓度为10-2 mol/L。所述的圆形碳毡片的表面附着有氨氧化菌生物膜。所述的转盘式氨氧化菌挂膜阳极一半浸入阳极液中。
本发明与现有技术相比的有益效果是：1）采用转盘式充氧法使阳极在缺氧状态和好氧状态之间来回切换，通过调节旋转速度可以很好地控制阳极生物膜表面DO浓度，既能顺利启动氨氧化，又能防止电子流过度偏向Cyt aa3氧化酶，从而使电极获得更多的电子；2）外源添加亚甲基蓝为电子介体，可以辅助氨氧化菌和电极之间的电子传递，提高产电性能。
附图说明
图1是转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池结构示意图；
图2是转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池结构俯视图；
图中：旋转电机1、导电刷2、外电路3、石墨棒4、圆形碳毡片5、阴极6、进水管7、出水管8、阳极托架9、阳极液10、阴极液11、阳极室12、阴极室13、质子交换膜14、阳极立方形反应器15、阴极立方形反应器16、转盘式氨氧化菌挂膜阳极17。
具体实施方式
如图所示，转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池包括旋转电机1、导电刷2、外电路3、质子交换膜14、阳极立方形反应器15、阴极立方形反应器16；阳极立方形反应器15通过质子交换膜14与阴极立方形反应器16相连，阳极立方形反应器15包括进水管7、出水管8、阳极托架9、阳极液10、阳极室12、转盘式氨氧化菌挂膜阳极17，阳极室12侧壁设有进水管7、出水管8，阳极室12内设有阳极托架9、阳极液10、转盘式氨氧化菌挂膜阳极17，转盘式氨氧化菌挂膜阳极17包括石墨棒4、圆形碳毡片5，石墨棒4穿过多个圆形碳毡片5圆心形成串状结构，石墨棒4一端与阳极托架9相连，石墨棒4另一端穿过阳极室12侧壁与旋转电机1相连，旋转电机1与阳极室12侧壁之间的石墨棒4上设有导电刷2，导电刷2通过外电路3与阴极6相连，阴极立方形反应器16包括阴极6、阴极液11、阴极室13，阴极室13内设有阴极6、阴极液11。
所述的阳极液10为含有氯化铵的产电基质，其中所加的电子介体为亚甲基蓝，其浓度低于10-4 mol/L；所述的阴极液11为含有高锰酸钾的磷酸盐缓冲溶液，高锰酸钾浓度为10-2 mol/L。所述的圆形碳毡片5的表面附着有氨氧化菌生物膜。所述的转盘式氨氧化菌挂膜阳极17一半浸入阳极液10中。
当转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池接通外电路后，启动旋转电机，旋转电机带动转盘式氨氧化菌挂膜阳极进行旋转，圆形碳毡上原先浸在阳极液中的那一部分生物膜表面吸附了一定量的产电基质，当其转出阳极液后暴露于空气中，空气中的氧气经过渗透进入生物膜，并被生物膜中的氨氧化菌吸收用于启动氨氧化反应，氨氧化所释放的电子一部分通过直接接触的方式传向电极，一部分被氨氧化菌所吸收的电子介体捕获并传向电极，通过调节电机转速可以有效控制氧的渗透量；当生物膜重新转入阳极液后，氨氧化产物（质子、亚硝酸盐、硝酸盐等）通过渗透进入阳极液，生物膜表面重新吸附产电基质，并进行新一轮产电过程。

Claims (4)

1.一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池，其特征在于：包括旋转电机（1）、导电刷（2）、外电路（3）、质子交换膜（14）、阳极立方形反应器（15）、阴极立方形反应器（16）；阳极立方形反应器（15）通过质子交换膜（14）与阴极立方形反应器（16）相连，阳极立方形反应器（15）包括进水管（7）、出水管（8）、阳极托架（9）、阳极液（10）、阳极室（12）、转盘式氨氧化菌挂膜阳极（17），阳极室（12）侧壁设有进水管（7）、出水管（8），阳极室（12）内设有阳极托架（9）、阳极液（10）、转盘式氨氧化菌挂膜阳极（17），转盘式氨氧化菌挂膜阳极（17）包括石墨棒（4）、圆形碳毡片（5），石墨棒（4）穿过多个圆形碳毡片（5）圆心形成串状结构，石墨棒（4）一端与阳极托架（9）相连，石墨棒（4）另一端穿过阳极室（12）侧壁与旋转电机（1）相连，旋转电机（1）与阳极室（12）侧壁之间的石墨棒（4）上设有导电刷（2），导电刷（2）通过外电路（3）与阴极（6）相连，阴极立方形反应器（16）包括阴极（6）、阴极液（11）、阴极室（13），阴极室（13）内设有阴极（6）、阴极液（11）。
2.根据权利要求1所述的一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极液（10）为含有氯化铵的产电基质，其中所加的电子介体为亚甲基蓝，其浓度低于10-4 mol/L；所述的阴极液（11）为含有高锰酸钾的磷酸盐缓冲溶液，高锰酸钾浓度为10-2 mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池，其特征在于：所述的圆形碳毡片（5）的表面附着有氨氧化菌生物膜。
4.根据权利要求1所述的一种转盘式挂膜阳极介体型氨氧化微生物燃料电池，其特征在于：所述的转盘式氨氧化菌挂膜阳极（17）一半浸入阳极液（10）中。
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