CN104241669A - 一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，包括阴极石墨棒、电压表及阳极石墨棒，电压表通过导线分别连接阴极石墨棒及阳极石墨棒，阴极石墨棒上部及阳极石墨棒上部均缠有铜丝，导线连接铜丝，阳极石墨棒上部套有绝缘外皮，阴极石墨棒的下部刻有螺纹，阴极石墨棒的下部通过螺纹配套连接绝缘套筒，绝缘套筒下部为锥形，阳极石墨棒下部为锥形。本发明更容易插入土壤，避免对土壤结构和植物根部造成较大破坏，增大了阳极石墨棒与土壤中电解质的接触面积，有利于电子的交换，输出更大的电压。本发明利用价格低廉、材料易得的石墨棒做电极，石墨棒质软，易于加工，是良好的电极材料。

Description

一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池及其应用
技术领域
本发明涉及一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池及其应用，属于微生物燃料电池技术领域。
背景技术
环境问题和能源的持续利用问题是当今社会的主流热点，也是贯彻落实可持续发展的客观要求。
近年来，出现了利用土壤或污水中的化学能转变为人类需要的电能的燃料电池，微生物燃料电池是利用土壤中微生物对土中腐殖质的氧化还原反应产生电流，距离根部不同距离存在不同电势，从而产生输出功率。而在日常生活中，家养盆栽，水生植物也可以设置为燃料电池，植物生长的好，培养液(质)的有机物腐殖质就增多，电池的输出功率变大，用外接二极管直观地显示。
但是对于土壤微生物燃料电池来说，电极的设计决定了功率输出的好坏，有些土壤微生物燃料电池设计不合理：第一，由于阴极电极只能在表面处，导致阴极电极不能良好固定。第二，两电极相对距离不科学，输出电压太低，电极间内阻太大，不能形成良好的输出；第三，电极插入土壤时容易损坏植物根部，而且固定不牢靠；第三，电极材料容易磨损。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池；
本发明还公开了上述土壤微生物燃料电池的应用；
本发明利用价格低、易得的石墨棒做电池电极，使功率输出提高，石墨棒更容易插入土壤，石墨棒不容易锈蚀损耗；本发明将潮湿的淤泥土壤中的化学能转化为电能，修复了石油烃污染的土壤，对高浓过度有机废水进行了高效处理。
本发明的技术方案如下：
一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，包括阴极石墨棒、电压表及阳极石墨棒，所述电压表通过导线分别连接所述阴极石墨棒及所述阳极石墨棒，所述阴极石墨棒上部及阳极石墨棒上部均缠有铜丝，所述导线连接所述铜丝，所述阳极石墨棒上部套有绝缘外皮。
此处设计的优势在于，利用价格低廉、材料易得的石墨棒做电极，石墨棒质软，易于加工，是良好的电极材料。
所述土壤微生物燃料电池使用时，选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阳极石墨棒插入土壤，使所述阳极石墨棒的裸露部分全部位于土壤表层以下，所述阳极石墨棒固定于土壤中；在距离所述阳极石墨棒水平距离范围10-1000mm处选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阴极石墨棒插入土壤，使所述阴极石墨棒的裸露部分位于土壤和空气交界处，所述阴极石墨棒固定于土壤中；所述阳极石墨棒插入土壤的高度大于所述阴极石墨棒插入土壤的高度。
根据本发明优选的，所述阴极石墨棒的下部刻有螺纹，所述阴极石墨棒的下部通过螺纹配套连接绝缘套筒，所述绝缘套筒下部为锥形，所述阳极石墨棒下部为锥形。
此处设计的优势在于，所述绝缘套筒下部为锥形，所述阳极石墨棒下部为锥形，更容易插入土壤，避免对土壤结构和植物根部造成较大破坏，并且增大了所述阳极石墨棒与土壤中电解质的接触面积，有利于电子的交换，从而输出更大的电压。
根据本发明优选的，所述阴极石墨棒及所述阳极石墨棒的高度范围均为5-500mm，所述绝缘套筒下部的锥形部分高度为所述阴极石墨棒高度的1/5-2/5,所述阳极石墨棒下部的锥形部分高度为所述阳极石墨棒高度的1/5-2/5,所述绝缘套筒下部的锥形部分及所述阳极石墨棒下部的锥形部分的锥角范围均为10-60。。
根据本发明优选的，所述阴极石墨棒上部及所述阳极石墨棒的上部均刻有螺纹，所述铜丝缠绕在所述螺纹上，所述阴极石墨棒上部通过所述螺纹配套连接绝缘外皮，所述阳极石墨棒上部通过所述螺纹配套连接绝缘外皮，所述阴极石墨棒中部为裸露部分。
此处设计的优势在于，所述阴极石墨棒上部通过螺纹配套连接绝缘外皮，所述阳极石墨棒上部通过螺纹配套连接绝缘外皮，使阴极石墨棒及阳极石墨棒上的铜丝与水和空气隔绝，避免铜丝被氧化锈蚀。
根据本发明优选的，所述阳极石墨棒与所述阴极石墨棒之间的水平距离范围为10-1000mm。
此处设计的优势在于，所述阳极石墨棒与所述阴极石墨棒之间的水平距离范围为10-1000mm，形成了更大的电势差。
根据本发明优选的，所述导线为铜导线，所述导线与所述铜丝的连接处通过粘结剂绝缘密封。
所述粘结剂为环氧树脂6101、环氧树脂618或环氧树脂634中一种或几种，所述粘结剂静置固化20-30小时。
上述土壤微生物燃料电池的应用，具体步骤包括：
(1)断开外接电路；
(2)选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阳极石墨棒插入土壤，使所述阳极石墨棒的裸露部分全部位于土壤表层以下，使所述阳极石墨棒的最上端位于土壤表层以上或与土壤表层平齐，所述阳极石墨棒固定于土壤中；
(3)在距离所述阳极石墨棒水平距离范围10-1000mm处选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阴极石墨棒插入土壤，使所述阴极石墨棒的裸露部分位于土壤和空气交界处，所述阴极石墨棒固定于土壤中；
(4)接入外接电路，闭合开关。
所述土壤微生物燃料电池使用时，所述阴极石墨棒的裸露部分位于土壤和空气交界处，和氧气接触，发生还原反应，得到电子，所述阴极石墨棒下部包裹绝缘套筒，保证了所述阴极石墨棒的下部不与土壤接触，所述阴极石墨棒和土壤表层氧气反应，所述阴极石墨棒与所述阳极石墨棒有效形成了电势差；所述阳极石墨棒上部连接绝缘外皮的部分位于土壤和空气交界处，保证了阳极石墨棒不接触氧气和土壤表层，所述阳极石墨棒裸露部分位于土壤内部，而且所述阳极石墨棒下部为锥体，所述阳极石墨棒接触土壤内部根系分泌物或其他产电菌产生的有机物，发生氧化反应，失去电子，形成循环电路。
所述土壤微生物燃料电池可以串联若干组使用，类似普通电池，交替连接正负极，形成更高的电压，增大输出。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述阳极石墨棒与所述阴极石墨棒之间的水平距离范围为10-1000mm，形成了较大的电势差；
2、本发明所述绝缘套筒下部为锥体，所述阳极石墨棒下部为锥体，更容易插入土壤，避免对土壤结构和植物根部造成较大破坏，并且增大了所述阳极石墨棒与土壤中电解质的接触面积，有利于电子的交换，从而输出更大的电压；
3、本发明所述阴极石墨棒上部通过螺纹配套连接一层绝缘外皮，所述阳极石墨棒上部通过螺纹配套连接一层绝缘外皮，使阴极石墨棒及阳极石墨棒上的铜丝与水和空气隔绝，避免铜丝被氧化锈蚀；
4、本发明利用价格低廉、材料易得的石墨棒为主要材料，而且石墨棒质软，易于加工，是良好的电极材料。
附图说明
图1为本发明纵向剖视图；
图2为本发明使用过程中的结构示意图；
图3为本发明所述阴极石墨棒的结构示意图；
图4为本发明所述阳极石墨棒的结构示意图；
其中，1、绝缘外皮；2、阴极石墨棒；3、电压表；4、导线；5、螺纹；6、绝缘套筒；7、阳极石墨棒；8、空气；9、土壤。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，包括阴极石墨棒2、电压表3及阳极石墨棒7，所述电压表3通过导线4分别连接所述阴极石墨棒2及所述阳极石墨棒7，所述阴极石墨棒2上部及阳极石墨棒7上部均缠有铜丝，所述导线4连接所述铜丝，所述阳极石墨棒7上部套有绝缘外皮1。
此处设计的优势在于，利用价格低廉、材料易得的石墨棒做电极，石墨棒质软，易于加工，是良好的电极材料。
所述土壤微生物燃料电池使用时，选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤9，将所述阳极石墨棒7插入土壤9，使所述阳极石墨棒7的裸露部分全部位于土壤9表层以下，所述阳极石墨棒7固定于土壤9中；在距离所述阳极石墨棒7水平距离范围500mm处选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤9，将所述阴极石墨棒2插入土壤9，使所述阴极石墨棒2的裸露部分位于土壤9和空气8交界处，所述阴极石墨棒2固定于土壤9中；所述阳极石墨棒7插入土壤9的高度大于所述阴极石墨棒2插入土壤9的高度。
实施例2
根据实施例1所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阴极石墨棒2的下部刻有螺纹5，所述阴极石墨棒2的下部通过螺纹5配套连接绝缘套筒6，所述绝缘套筒6下部为锥形，所述阳极石墨棒7下部为锥形。
此处设计的优势在于，所述绝缘套筒6下部为锥形，所述阳极石墨棒7下部为锥形，更容易插入土壤9，避免对土壤9结构和植物根部造成较大破坏，并且增大了所述阳极石墨棒7与土壤9中电解质的接触面积，有利于电子的交换，从而输出更大的电压。
实施例3
根据实施例2所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阴极石墨棒2及所述阳极石墨棒7的高度均为5mm，所述绝缘套筒6下部的锥形部分高度为所述阴极石墨棒2高度的1/5,所述阳极石墨棒2下部的锥形部分高度为所述阳极石墨棒2高度的1/5,所述绝缘套筒6下部的锥形部分及所述阳极石墨棒7下部的锥形部分的锥角均为10。。
实施例4
根据实施例2所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阴极石墨棒2及所述阳极石墨棒7的高度均为500mm，所述绝缘套筒6下部的锥形部分高度为所述阴极石墨棒2高度的2/5,所述阳极石墨棒7下部的锥形部分高度为所述阳极石墨棒7高度的2/5,所述绝缘套筒6下部的锥形部分及所述阳极石墨棒7下部的锥形部分的锥角均为60。。
实施例5
根据实施例2所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阴极石墨棒2及所述阳极石墨棒7的高度均为250mm，所述绝缘套筒6下部的锥形部分高度为所述阴极石墨棒2高度的3/10,所述阳极石墨棒7下部的锥形部分高度为所述阳极石墨棒7高度的3/10,所述绝缘套筒6下部的锥形部分及所述阳极石墨棒7下部的锥形部分的锥角均为45。。
实施例6
根据实施例3-5任一所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阴极石墨棒2上部及所述阳极石墨棒7的上部均刻有螺纹5，所述铜丝缠绕在所述螺纹5上，所述阴极石墨棒2上部通过所述螺纹5配套连接绝缘外皮1，所述阳极石墨棒2上部通过所述螺纹5配套连接绝缘外皮1，所述阴极石墨棒7中部为裸露部分。
此处设计的优势在于，所述阴极石墨棒2上部通过螺纹5配套连接绝缘外皮1，所述阳极石墨棒7上部通过螺纹5配套连接绝缘外皮1，使阴极石墨棒2及阳极石墨棒7上的铜丝与水和空气隔绝，避免铜丝被氧化锈蚀。
实施例7
根据实施例6所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述阳极石墨棒7与所述阴极石墨棒2之间的水平距离为500mm。
此处设计的优势在于，所述阳极石墨棒7与所述阴极石墨棒2之间的水平距离为500mm，形成了更大的电势差。
实施例8
根据实施例7所述的一种土壤微生物燃料电池，其区别在于，所述导线4为铜导线，所述导线4与所述铜丝的连接处通过粘结剂绝缘密封。
所述粘结剂为环氧树脂6101，所述粘结剂静置固化20-30小时。
所述土壤微生物燃料电池使用时，所述阴极石墨棒2的裸露部分位于土壤9和空气8交界处，和氧气接触，发生还原反应，得到电子，所述阴极石墨棒2下部包裹绝缘套筒6，保证了所述阴极石墨棒2的下部不与土壤9接触，所述阴极石墨棒2和土壤9表层氧气反应，所述阴极石墨棒2与所述阳极石墨棒7有效形成了电势差；所述阳极石墨棒7上部连接绝缘外皮1的部分位于土壤9和空气8交界处，保证了阳极石墨棒7不接触氧气和土壤9表层，所述阳极石墨棒7裸露部分位于土壤9内部，而且所述阳极石墨棒7下部为锥体，所述阳极石墨棒7接触土壤内部根系分泌物或其他产电菌产生的有机物，发生氧化反应，失去电子，形成循环电路。
所述土壤微生物燃料电池可以串联若干组使用，类似普通电池，交替连接正负极，形成更高的电压，增大输出。
实施例9
上述实施例8所述的一种土壤微生物燃料电池的应用，具体步骤包括：
(1)断开外接电路；
(2)选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤9，将所述阳极石墨7棒插入土壤9，使所述阳极石墨棒7的裸露部分全部位于土壤9表层以下，使所述阳极石墨棒7的最上端位于土壤9表层以上或与土壤9表层平齐，所述阳极石墨棒7固定于土壤9中；
(3)在距离所述阳极石墨棒7水平距离范围500mm处选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤9，将所述阴极石墨棒2插入土壤9，使所述阴极石墨棒2的裸露部分位于土壤9和空气8交界处，所述阴极石墨棒2固定于土壤9中；
(4)接入外接电路，闭合开关。

Claims (7)

1.一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，包括阴极石墨棒、电压表及阳极石墨棒，所述电压表通过导线分别连接所述阴极石墨棒及所述阳极石墨棒，所述阴极石墨棒上部及阳极石墨棒上部均缠有铜丝，所述导线连接所述铜丝，所述阳极石墨棒上部套有绝缘外皮。
2.根据权利要求1所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极石墨棒的下部刻有螺纹，所述阴极石墨棒的下部通过螺纹配套连接绝缘套筒，所述绝缘套筒下部为锥形，所述阳极石墨棒下部为锥形。
3.根据权利要求2所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极石墨棒及所述阳极石墨棒的高度范围均为5-500mm，所述绝缘套筒下部的锥形部分高度为所述阴极石墨棒高度的1/5-2/5,所述阳极石墨棒下部的锥形部分高度为所述阳极石墨棒高度的1/5-2/5,所述绝缘套筒下部的锥形部分及所述阳极石墨棒下部的锥形部分的锥角范围均为10-60°。
4.根据权利要求2所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极石墨棒上部及所述阳极石墨棒的上部均刻有螺纹，所述铜丝缠绕在螺纹上，所述阴极石墨棒上部通过螺纹配套连接绝缘外皮，所述阳极石墨棒上部通过螺纹配套连接绝缘外皮，所述阴极石墨棒中部为裸露部分。
5.根据权利要求1所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极石墨棒与所述阴极石墨棒之间的水平距离范围为10-1000mm。
6.根据权利要求1所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池，其特征在于，所述导线为铜导线，所述导线与所述铜丝的连接处通过粘结剂绝缘密封。
7.一种权利要求1所述的一种采用石墨棒做电极的土壤微生物燃料电池的应用，其特征在于，具体步骤包括：
(1)断开外接电路；
(2)选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阳极石墨棒插入土壤，使所述阳极石墨棒的裸露部分全部位于土壤表层以下，使所述阳极石墨棒的最上端位于土壤表层以上或与土壤表层平齐，所述阳极石墨棒固定于土壤中；
(3)在距离所述阳极石墨棒水平距离范围10-1000mm处选择表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤，将所述阴极石墨棒插入土壤，使所述阴极石墨棒的裸露部分位于土壤和空气交界处，所述阴极石墨棒固定于土壤中；
(4)接入外接电路，闭合开关。
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