CN105047976A - 一种生物阴极光催化燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物阴极光催化燃料电池。其反应容器被分隔腔分隔为阳极室和阴极室。阴极室内为好氧环境；光催化阳极置于阳极室内，生物阴极置于阴极室内；阳极室设有阳极室进水口和阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；在阳极室与阴极室之间设有分隔腔，阳极室出水口通过所述分隔腔与阴极室进水口连通以使阳极室内的水流能够进入阴极室；光催化阳极和生物阴极之间串联有外电阻。本发明耦合了光催化燃料电池与生物阴极，同时利用流态分隔开阳极室与阴极室，实现对难降解物质的废水处理和产电的同步进行，降低废水处理的成本。

Description

一种生物阴极光催化燃料电池
技术领域
本发明涉及一种电池系统，尤其涉及一种光催化燃料电池。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。污水中蕴含了巨大的能量，1kg化学需氧量（COD）完全氧化为水和CO2理论上可以产生3.86kW·h的能量，如果生活污水以400mg/LCOD计，则所含能量为1.544kW·h/m3，是我国污水处理厂处理1m3污水平均电耗的5.3倍。近几年光催化燃料电池（PFC）的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但现有的大多数PFC多采用铂作为阴极材料，使得PFC的成本大大提高；在处理难降解物质时，PFC出水仍有一部分小分子物质需进一步降解。同时，目前燃料电池大多仍需采用离子交换膜，这使得反应器的成本大大的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物阴极光催化燃料电池。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明生物阴极光催化燃料电池包括反应容器，所述反应容器被分隔腔分隔为阳极室和阴极室；所述阴极室内为好氧环境；所述阳极室内置有光催化阳极，所述阴极室内置有生物阴极；阳极室设有阳极室进水口和阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；所述阳极室出水口通过所述分隔腔与阴极室进水口连通而使阳极室内的水流能够进入阴极室；所述光催化阳极和所述生物阴极之间串联有外电阻。
进一步地，本发明所述阳极室的侧壁上设有石英玻璃窗口。
进一步地，本发明在反应容器的外部设有光源，所述光源发射的光能够通过所述石英玻璃窗口进入所述阳极室内以使阳极室内的光催化阳极进行光催化反应。
进一步地，本发明还包括为所述阴极室提供氧气的供氧装置。
进一步地，本发明所述供氧装置包括相互连通的曝气头和空气泵，其中，所述曝气头置于阴极室进水口处或置于阴极室内，所述空气泵置于所述反应容器的外部。
进一步地，本发明所述阳极室进水口低于阳极室出水口，所述阴极室进水口低于阳极室出水口，所述阴极室出水口高于阴极室进水口。
进一步地，本发明所述阴极室的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）采用阳极室的光催化反应与阴极室的好氧生物反应相耦合，利用光催化阳极无选择性降解污染物的特性，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，再进入阴极室进行生物降解，强化难降解污染物的去除；（2）采用将具有电化学活性的生物膜作为阴极催化剂，在生长代谢的同时催化阴极反应，具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本；（3）利用阳极室与阴极室之间的分隔腔作为物理阻隔，能够有效保障阴极室的生物反应不受阳极室光催化反应的影响，同时通过废水从阳极室流入阴极室而达到传递质子的目的，因此利用反应器的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应器成本；（4）能以废水为燃料生产电能，实现废水处理和产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。
附图说明
图1是本发明生物阴极光催化燃料电池的结构示意图。
图中：1-阳极室进水口，2-阳极室，3-分隔腔，4-阴极室，5-阴极室出水口，6-光催化阳极，7-生物阴极，8-外电阻，9-阳极室的内侧侧壁，10-阴极室的内侧侧壁，11-曝气头，12-空气泵，13-阳极室出水口，14-阴极室进水口，15-阴极室出气口，16-反应容器，17-石英玻璃窗口，18-光源。
具体实施方式
如图1所示，本发明生物阴极光催化燃料电池包括反应容器16，在反应容器16中设有阳极室2、光催化阳极6、阴极室4和生物阴极7。反应容器16被分隔腔3分隔为阳极室2和阴极室4。本发明反应器可在阴极室4内接种好氧污泥，从而使得阴极室4为好氧环境。光催化阳极6置于阳极室2内，生物阴极7置于阴极室4内。阳极室2设有阳极室进水口1和阳极室出水口13，阴极室4设有阴极室进水口14、阴极室出水口5和阴极室出气口15。阳极室进水口1低于阳极室出水口13。阴极室进水口14低于阳极室出水口13，阳极室出水口13通过分隔腔3与阴极室进水口14连通，从而使阳极室2内溢流出的废水经由分隔腔3，再由阴极室进水口14流入阴极室4。阴极室出水口5高于阴极室进水口14。光催化阳极6与生物阴极7之间串联有外电阻8。
本发明在阳极室2的侧壁上密封镶嵌有石英玻璃窗口17。在反应容器16的外部设有光源18，光源18正对石英玻璃窗口17，使得光源18发射的光能够通过石英玻璃窗口17进入阳极室2，从而阳极室2内的光催化阳极6在光源18发射的光的作用下发生光催化反应。
本发明可通过供氧装置为阴极室4提供氧气。作为本发明的一种实施方式，供氧装置可由相互连通的曝气头11和空气泵12组成。其中，曝气头11置于阴极室进水口14处或置于阴极室4内，空气泵12置于反应容器16外，曝气头11通过穿过反应容器底部的导气管与空气泵12连通。
作为本发明的一种优选实施方式，阳极室进水口1开设于阳极室2的底部，阳极室出水口13开设于环形阳极室2的顶部。例如，可使阳极室的内侧侧壁9的高度低于反应容器16的顶部，由此利用两者的高度差而在阳极室的内侧侧壁9与反应容器16的顶部之间形成阳极室出水口13。阴极室进水口14可设于阴极室4的底部，阴极室出水口5可设于阴极室4的顶部。例如，可使阴极室的内侧侧壁10的底部高于反应容器16的底部，由此利用两者的高度差而在阴极室的内侧侧壁10与反应容器16的底部之间形成阴极室进水口14。
此外，优选地将阴极室4的顶部设为敞口状，将该敞口为阴极室出气口15。
本发明生物阴极光催化燃料电池工作时，先将废水由阳极室进水口1引入到阳极室2内，经阳极室2内的光催化阳极6的光催化反应后通过阳极室出水口13流入分隔腔3中，然后再经阴极室进水口14流入至阴极室4内，再经阴极室4作好氧处理后通过阴极室出水口5流出反应容器16。
为使阴极室4保持好氧环境，可在阴极室4内接种好氧污泥。来自外部的废水经过阳极室2时，光催化阳极6在光源18照射作用下，可将废水中具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子有机物，小分子有机物也可在光催化作用下进一步降解，同时产生电子和质子。其中，光催化阳极6将所产生的电子流经外电阻8到达生物阴极7上；光催化阳极6所产生的质子则从阳极室2随废水一起经由分隔腔3流至阴极室4内。生物阴极7上的电子与阴极室4内的质子和氧气在好氧生物催化作用下反应最终生成水，同时，具有生物毒性的物质经光催化降解后生成毒性低的小分子更易被好氧微生物在生长代谢中降解。阴极室4内的氧气可由供氧装置提供。此外，废水自阳极室2经分隔腔3流至阴极室4内后，废水中的含氮的化合物在生物阴极7的阴极微生物的催化下，发生硝化及反硝化等反应，其主要反应的反应式为：NH4 ++2O2→NO3 -+H2O+2H+、2NO3 -+12H++10e-→N2+6H2O，由此最终生成氮气而由阴极室出气口15排出，从而实现总氮的去除。
本发明的阴极室4的顶部优选呈敞口状，并以此敞口作为阴极室出气口15，使得阴极室4内生成的氮气可以很好地从阴极室出气口15排除，同时方便阴极室4的曝气。
分隔腔3在本发明反应器中起到了双重作用：一是作为阳极室2与阴极室4之间的物理阻隔，能够有效保障阴极室4的生物反应不受阳极室2光催化反应的影响；二是作为连接阳极室2与阴极室4之间的分隔腔3，可以使阳极室2内的废水从阳极室出水口13流出后，经由分隔腔3而从由阴极室进水口14流入至阴极室4内，从而达到传递质子的目的。由此，废水由位于上方的阳极室出水口13溢出后经由分隔腔3后可从位于下方的阴极室进水口14流入到阴极室4内。该流态使得本发明反应器不需要使用离子选择性透过膜来阻隔阳极室2与阴极室4，可以降低反应器成本。
光催化阳极6可由半导体材料附着在导电基底上构成。其中，半导体材料可选用二氧化钛、氧化锌、三氧化钨、硫化钼、溴氧化铋等。
光源18应根据光催化阳极6半导体材料的性质决定。当光催化阳极6所用的半导体材料选用溴氧化铋等可见光光催化剂时，则光源18可使用可见光光源，如太阳光、氙灯等；当光催化阳极6所用的半导体材料选用二氧化钛等紫外光光催化剂时，则光源18应使用紫外光光源，如汞灯等。
生物阴极7可附着有电化学活性的生物膜的载体，该载体可选用碳纸、碳布、碳纤维刷或碳毡。生物阴极7上的微生物可以催化还原氧气；并且，生物膜中还包含硝化细菌和反硝化细菌，可以将废水中的含氮化合物最终转变成氮气排出。生物阴极7具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了成本。

Claims (10)

1.一种生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：包括反应容器（16），所述反应容器（16）被分隔腔（3）分隔为阳极室（2）和阴极室（4）；所述阴极室（4）内为好氧环境；所述阳极室（2）内置有光催化阳极（6），所述阴极室（4）内置有生物阴极（7）；阳极室（2）设有阳极室进水口（1）和阳极室出水口（13），阴极室（4）设有阴极室进水口（14）、阴极室出水口（5）和阴极室出气口（15）；所述阳极室出水口（13）通过所述分隔腔（3）与阴极室进水口（14）连通而使阳极室内的水流能够进入阴极室；所述光催化阳极（6）和所述生物阴极（7）之间串联有外电阻（8）。
2.根据权利要求1所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阳极室（2）的侧壁上设有石英玻璃窗口（17）。
3.根据权利要求2所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：在反应容器（16）的外部设有光源（18），所述光源（18）发射的光能够通过所述石英玻璃窗口（17）进入所述阳极室（2）内以使阳极室（2）内的光催化阳极（6）进行光催化反应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：还包括为所述阴极室（4）提供氧气的供氧装置。
5.根据权利要求4所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述供氧装置包括相互连通的曝气头（11）和空气泵（12），其中，所述曝气头（11）置于阴极室进水口（14）处或置于阴极室内，所述空气泵（12）置于所述反应容器（16）的外部。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阳极室进水口（1）低于阳极室出水口（13），所述阴极室进水口（14）低于阳极室出水口（13），所述阴极室出水口（5）高于阴极室进水口（14）。
7.根据权利要求4所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阳极室进水口（1）低于阳极室出水口（13），所述阴极室进水口（14）低于阳极室出水口（13），所述阴极室出水口（5）高于阴极室进水口（14）。
8.根据权利要求1、2、3、5或7所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（15）。
9.根据权利要求4所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（15）。
10.根据权利要求6所述的生物阴极光催化燃料电池，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（15）。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649289A (zh) * 2019-10-17 2020-01-03 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 光催化与人工湿地复合型燃料电池及污水处理方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100304226A1 (en) * 2007-03-15 2010-12-02 The University Of Queensland Microbial fuel cell
JP2014093200A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
JP2014093199A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
CN104393309A (zh) * 2014-11-24 2015-03-04 哈尔滨工业大学 一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统
CN104628133A (zh) * 2015-02-03 2015-05-20 浙江大学 一种溢流式电化学生物膜反应器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100304226A1 (en) * 2007-03-15 2010-12-02 The University Of Queensland Microbial fuel cell
JP2014093200A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
JP2014093199A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
CN104393309A (zh) * 2014-11-24 2015-03-04 哈尔滨工业大学 一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统
CN104628133A (zh) * 2015-02-03 2015-05-20 浙江大学 一种溢流式电化学生物膜反应器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649289A (zh) * 2019-10-17 2020-01-03 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 光催化与人工湿地复合型燃料电池及污水处理方法
CN110649289B (zh) * 2019-10-17 2023-10-20 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 光催化与人工湿地复合型燃料电池及污水处理方法

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