CN103668305A

CN103668305A - 一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法

Info

Publication number: CN103668305A
Application number: CN201410001377.9A
Authority: CN
Inventors: 邢德峰; 白舜文; 孙睿; 赵昕悦; 张若晨
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103668305B

Abstract

一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法，它涉及一种微生物电解池及其使用方法。本发明是要解决目前MEC系统中阴极材料及其催化剂成本较高、MEC系统体积小从而产生氢气和甲烷量低、发展有局限和难以规模化发展的技术问题。本发明的微生物电解池包括阳极碳纤维、阴极钢网和折流板箱体；折流板箱体中的格室内设置多个阳极碳纤维刷和一个阴极钢网，阴极钢网为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，多个阳极碳纤维刷从上至下排列，阴极钢网的两个面与阳极碳纤维刷的距离均为2cm～4cm；本发明的微生物电解池的使用方法：一、阳极富集微生物；二、微生物电解池集气。本发明应用于微生物电解池领域。

Description

一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种微生物电解池及其使用方法。

背景技术

当今世界面临有机废物的有效处置与新能源有效开发两大挑战。微生物电解池（MEC）可依托系统内阳极产电菌将贮存在有机物中的化学能直接转化为电流，从而在外电势的辅助下形成氢气，具有处理有机废物与回收新型能源—氢能的双重功效。生活污水、糖蜜废水、餐厨废水、啤酒废水和剩余污泥可作为MEC的底物。MEC是一种具有巨大发展潜力的生物质制氢技术，有望成为未来有机污染物控制与资源化利用的一项重要技术。

MEC的原理：附着在阳极的产电微生物以废水中有机物质为电子供体，在氧化有机物的同时，向胞外转移质子和电子，质子通过电解液到达阴极，电子经过阳极和外电路到达阴极，在外加电势的辅助下，质子与电子在阴极结合，生成氢气，即将有机底物中的化学能转化为氢能。

早期MEC的原始构型为双室，在双室构型中，阴极和阳极被质子交换膜分开，分别形成独立的阴极室与阳极室。隔膜的材料有多种选择，如阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜和双极膜等。双极室的结构降低了阴极产生的氢气扩散至阳极从而被利用的可能性，收集得到的氢气纯度较高。然而，MEC系统内阻会随着膜的使用而增大，产氢性能受到较大的影响。

单室结构MEC没有质子交换膜的阻隔，这样的结构设计极大的降低了系统内阻，提高了系统所能产生的最大电流密度和平均电流密度，使得单位时间、单位体积的氢气产生能力也随之得到大幅度提高，同时，这种简化的结构有助于降低基建成本和运行费用，为MEC未来的规模化应用提供了良好的构型基础。

目前关于MEC系统放大从而使得其工作效率提升的研究存在的限制因素主要如下：（1）阴极材料碳纤维布和催化剂铂碳催化剂成本较高，不利于进行放大的研究；（2）简单的电极组合形式如果单纯的进行放大，很难保证有效的极板间距；（3）构型体积小，产气量低，发展有局限，单纯的放大不利于连续流运行，而实现稳定的连续流运行才是放大MEC的主要目的之一。

发明内容

本发明是要解决目前MEC系统中阴极材料及其催化剂成本较高、MEC系统体积小从而产生氢气和甲烷量低、发展有局限和难以规模化发展的技术问题，从而提供一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法。

本发明的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，它包括水箱、水泵、电阻、电源、阳极碳纤维刷、阴极钢网和折流板箱体；折流板箱体上设置有一个进水口、一个出水口、一个回流出水口、一个回流入水口和两个放水口，水箱的出水口与水泵的进水口相连，水泵的出水口与折流板箱体的进水口相连，折流板箱体的回流出水口与回流入水口连接，折流板箱体中的每组下降流板和上升流板形成一个格室，折流板箱体中有3～6个格室，每个格室的体积为0.5L～1L，每个格室内设置多个阳极碳纤维刷和一个阴极钢网，阴极钢网为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，其中一面紧贴着其所在的格室的上升流板，另一面紧贴着折流板箱体的内壁，多个阳极碳纤维刷从上至下并列排列，每个碳纤维刷呈圆柱状，每个碳纤维刷中间的钛丝线均穿过折流板箱体并用灰胶密封穿孔，每个碳纤维刷中间的钛丝线与折流板箱体外的电源的正极连接，阴极钢网通过10Ω的电阻与折流板箱体外的电源的负极连接，阴极钢网的两个垂直面与阳极碳纤维刷的距离均为2cm～4cm，集气管设置于折流板箱体的顶部，集气袋与集气管密封连接。

本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法如下：

将阳极碳纤维刷在微生物燃料电池中富集微生物，然后将富集有微生物的阳极碳纤维刷安装到本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池中，首先在序批式模式下运行，当内置多电极体系的导流板式微生物电解池中的集气袋中有气体产生时随即将模式转换成连续流模式，设置水力停留时间为0.5天～2天。

本发明的原理：本发明采用多组电极共处一个反应器壳体内，在流态上呈串联式，以压有活性炭催化剂的钢网为阴极材料，阳极是由多把碳纤维刷并排置于一起构成，为实现较短的阴阳极间距，将阴极钢网的一部分折起形成两个相互垂直的面半包围阳极碳刷，以导流板构型为基础，可以完成大体积的多电极导流板式微生物电解池，从而可以使得装置的产气效率大幅度提高。

本发明的优点如下：

（1）本发明采用廉价的阴极材料和阴极催化剂，降低了反应器的整个搭建成本，在造价上相比于铂炭催化剂阴极成本降低了30%～50%；

（2）本发明改变电极组合理念，采用适合放大式研究的电极组合形式，反应器体积相比于现有的微生物电解池反应器扩大了100～200倍，摆脱小体积束缚，实现稳定的连续流运行，平均每日产生的生物质气量在400mL～500mL之间，相比于现有的微生物电解池提高了10～20倍，适合工业化发展研究。

附图说明

图1是本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池的结构示意图，1为水箱，2为水泵，3为折流板箱体的进水口，4为折流板箱体的回流入水口，5为折流板箱体的放水口，6为导线，7为电阻，8为电源，9为阳极碳纤维刷，10为阴极钢网，11为折流板箱体的集气管，12为折流板箱体的集气袋，13为折流板箱体的出水口，14为折流板箱体的回流出水口，15为折流板箱体的下降流板，16为折流板箱体的上升流板，17为折流板箱体；

图2为图1的a-a剖视图，4为折流板箱体的回流入水口，9为阳极碳纤维刷，10为阴极钢网，14为折流板箱体的回流出水口，15为折流板箱体的下降流板，16为折流板箱体的上升流板，17为折流板箱体。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2，本实施方式中一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，它包括水箱1、水泵2、电阻7、电源8、阳极碳纤维刷9、阴极钢网10和折流板箱体17；折流板箱体17上设置有一个进水口3、一个出水口13、一个回流出水口14、一个回流入水口4和两个放水口5，水箱1的出水口与水泵2的进水口相连，水泵2的出水口与折流板箱体17的进水口3相连，折流板箱体17的回流出水口14与折流板箱体17的回流入水口4连接，折流板箱体中的每组下降流板15和上升流板16形成一个格室，折流板箱体中有3～6个格室，每个格室的体积为0.5L～1L，每个格室内设置多个阳极碳纤维刷9和一个阴极钢网10，阴极钢网10为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，其中一面紧贴着其所在的格室的上升流板16，另一面紧贴着折流板箱体17的内壁，多个阳极碳纤维刷9从上至下并列排列，每个碳纤维刷9呈圆柱状，每个碳纤维刷9中间的钛丝线均穿过折流板箱体17并用灰胶密封穿孔，每个碳纤维刷9中间的钛丝线与折流板箱体17外的电源8的正极连接，阴极钢网10通过10Ω的电阻7与折流板箱体17外的电源8的负极连接，阴极钢网10的两个垂直面与阳极碳纤维刷9的距离均为2cm～4cm，集气管11设置于折流板箱体17的顶部，集气袋12与集气管11密封连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同的是：阴极钢网10为60目的SS306的不锈钢网；所述的阴极钢网10的制备方法为：将PTFE作为粘合剂与活性炭粉混合使活性炭粉成为一个整体，然后利用辊压机将活性炭压在不锈钢网上，得到阴极钢网10。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同的是：折流板箱体17材质为有机玻璃。其他与具体实施方式一或二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一所述的内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法：将阳极碳纤维刷9在微生物燃料电池中富集微生物，然后将富集有微生物的阳极碳纤维刷9安装到本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池中，首先在序批式模式下运行，当内置多电极体系的导流板式微生物电解池中的集气袋12中有气体产生时随即将模式转换成连续流模式，设置水力停留时间为0.5天～2天。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：微生物燃料电池中的培养基为废水中的有机物质、磷酸盐缓冲溶液、少量矿质元素和维他命。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：微生物燃料电池中的接种物为河流底泥。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：微生物燃料电池中的磷酸盐缓冲溶液中含有2.77g/L的NaH₂PO₄·2H₂O、11.55g/L的Na₂HPO₄·2H₂O、0.31g/L的NH₄Cl和0.13g/L的KCl。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是：设置水力停留时间为1天～1.5天。其它与具体实施方式五相同。

本实施方式的原理：本实施方式采用多组电极共处一个反应器壳体内，在流态上呈串联式，以压有活性炭催化剂的钢网为阴极材料，阳极是由多把碳纤维刷并排置于一起构成，为实现较短的阴阳极间距，将阴极钢网的一部分折起形成两个相互垂直的面半包围阳极碳刷，以导流板构型为基础，可以完成大体积的多电极导流板式微生物电解池，从而可以使得装置的产气效率大幅度提高。

本实施方式的优点如下：

（1）本实施方式采用廉价的阴极材料和阴极催化剂，降低了反应器的整个搭建成本，在造价上相比于铂炭催化剂阴极成本降低了30%～50%；

（2）本实施方式改变电极组合理念，采用适合放大式研究的电极组合形式，反应器体积相比于现有的微生物电解池反应器扩大了100～200倍，摆脱小体积束缚，实现稳定的连续流运行，平均每日产生的生物质气量在400mL～500mL之间，相比于现有的微生物电解池提高了10～20倍，适合工业化发展研究。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，它包括水箱1、水泵2、电阻7、电源8、阳极碳纤维刷9、阴极钢网10和折流板箱体17；折流板箱体17上设置有一个进水口3、一个出水口13、一个回流出水口14、一个回流入水口4和两个放水口5，水箱1的出水口与水泵2的进水口相连，水泵2的出水口与折流板箱体17的进水口3相连，折流板箱体17的回流出水口14与折流板箱体17的回流入水口4连接，折流板箱体中的每组下降流板15和上升流板16形成一个格室，折流板箱体中有3～6个格室，每个格室的体积为0.5L～1L，每个格室内设置多个阳极碳纤维刷9和一个阴极钢网10，阴极钢网10为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，其中一面紧贴着其所在的格室的上升流板16，另一面紧贴着折流板箱体17的内壁，多个阳极碳纤维刷9从上至下并列排列，每个碳纤维刷9呈圆柱状，每个碳纤维刷9中间的钛丝线均穿过折流板箱体17并用灰胶密封穿孔，每个碳纤维刷9中间的钛丝线与折流板箱体17外的电源8的正极连接，阴极钢网10通过10Ω的电阻7与折流板箱体17外的电源8的负极连接，阴极钢网10的两个垂直面与阳极碳纤维刷9的距离均为2cm～4cm，集气管11设置于折流板箱体17的顶部，集气袋12与集气管11密封连接。

所述的阴极钢网10的制备方法为：将PTFE作为粘合剂与活性炭粉混合使活性炭粉成为一个整体，然后利用辊压机将活性炭压在不锈钢网上，得到阴极钢网10；所述的阴极钢网10中为60目的SS306的不锈钢网；所述的折流板箱体17材质为有机玻璃。

试验二：本试验为试验一的内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法：将阳极碳纤维刷9在微生物燃料电池中富集微生物，然后将富集有微生物的阳极碳纤维刷9安装到本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池中，首先在序批式模式下运行，当内置多电极体系的导流板式微生物电解池中的集气袋12中有气体产生时随即将模式转换成连续流模式，设置水力停留时间为1天。微生物燃料电池中的培养基为废水中的有机物质、磷酸盐缓冲溶液、少量矿质元素和维他命；微生物燃料电池中的接种物为哈尔滨马家沟河流底泥；微生物燃料电池中的磷酸盐缓冲溶液中含有2.77g/L的NaH₂PO₄·2H₂O、11.55g/L的Na₂HPO₄·2H₂O、0.31g/L的NH₄Cl和0.13g/L的KCl。

本试验采用廉价的阴极材料和阴极催化剂，降低了反应器的整个搭建成本，在造价上相比于铂炭催化剂阴极成本降低了50%；本试验采用适合放大式研究的电极组合形式，反应器体积相比于现有的微生物电解池反应器扩大了200倍，摆脱小体积束缚，实现稳定的连续流运行，平均每日产生的生物质气量在500mL，相比于现有的微生物电解池提高了20倍，适合工业化发展研究。

Claims

1.一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，它包括水箱（1）、水泵（2）、电阻（7）、电源（8）、阳极碳纤维刷（9）和阴极钢网（10），水箱（1）的出水口与水泵（2）的进水口相连，其特征在于它还包括折流板箱体（17）；折流板箱体（17）上设置有一个进水口（3）、一个出水口（13）、一个回流出水口（14）、一个回流入水口（4）和两个放水口（5），水泵（2）的出水口与折流板箱体（17）的进水口（3）相连，折流板箱体（17）的回流出水口（14）与折流板箱体（17）的回流入水口（4）连接，折流板箱体中的每组下降流板（15）和上升流板（16）形成一个格室，折流板箱体中有3～6个格室，每个格室的体积为0.5L～1L，每个格室内设置多个阳极碳纤维刷（9）和一个阴极钢网（10），阴极钢网（10）为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，其中一面紧贴着其所在的格室的上升流板（16），另一面紧贴着折流板箱体（17）的内壁，多个阳极碳纤维刷（9）从上至下并列排列，每个碳纤维刷（9）呈圆柱状，每个碳纤维刷（9）中间的钛丝线均穿过折流板箱体（17）并用灰胶密封穿孔，每个碳纤维刷（9）中间的钛丝线与折流板箱体（17）外的电源（8）的正极连接，阴极钢网（10）通过10Ω的电阻（7）与电源（8）的负极连接，阴极钢网（10）的两个垂直面与阳极碳纤维刷（9）的距离均为2cm～4cm，集气管（11）设置于折流板箱体（17）的顶部，集气袋（12）与集气管（11）密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，其特征在于阴极钢网（10）为60目的SS306的不锈钢网；所述的阴极钢网（10）的制备方法为：将PTFE作为粘合剂与活性炭粉混合使活性炭粉成为一个整体，然后利用辊压机将活性炭压在不锈钢网上，得到阴极钢网（10）。

3.根据权利要求1所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，其特征在于折流板箱体（17）材质为有机玻璃。

4.使用如权利要求1所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池的方法，其特征在于内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法如下：

将阳极碳纤维刷（9）在微生物燃料电池中富集微生物，然后将富集有微生物的阳极碳纤维刷（9）安装到本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池中，首先在序批式模式下运行，当内置多电极体系的导流板式微生物电解池中的集气袋（12）中有气体产生时随即将模式转换成连续流模式，设置水力停留时间为0.5天～2天。

5.根据权利要求4所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法，其特征在于微生物燃料电池中的培养基为废水中的有机物质、磷酸盐缓冲溶液、少量矿质元素和维他命。

6.根据权利要求4所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法，其特征在于微生物燃料电池中的接种物为河流底泥。

7.根据权利要求4所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法，其特征在于微生物燃料电池中的磷酸盐缓冲溶液中含有2.77g/L的NaH₂PO₄·2H₂O、11.55g/L的Na₂HPO₄·2H₂O、0.31g/L的NH₄Cl和0.13g/L的KCl。

8.根据权利要求4所述的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法，其特征在于设置水力停留时间为1天～1.5天。