CN105047977B - 一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池。其反应容器被第一分隔腔和第二分隔腔分隔为光阳极室、微生物阳极室和阴极室，微生物阳极室位于光阳极室和阴极室之间；微生物阳极室为厌氧环境，阴极室为好氧环境，光阳极室内置有光催化阳极，微生物阳极室内置有用于生长产电微生物的生物阳极，阴极室内置有生物阴极；光阳极室、微生物阳极室、阴极室各自设有进水口和出水口，且阴极室还设有出气口；光阳极室内的水流经由第一分隔腔能够进入微生物阳极室；微生物阳极室的水经由第二分隔腔能够进入阴极室；光催化阳极和生物阴极之间串联有第一外电阻，生物阳极和生物阴极之间串联有第二外电阻。

Description

一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池
技术领域
本发明涉及一种电池系统，尤其涉及一种微生物燃料电池。
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。应用广泛的城镇污水处理工艺包括传统活性污泥工艺及变形，如厌氧-缺氧-好氧法（A2O）工艺、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）工艺等。这些工艺对污染物的去除效果好，但运行能耗高、剩余污泥产量大。实际上，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400 mg/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。近几年微生物燃料电池（MFC）的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但是距离实际的工业化应用还有很大距离。其一，微生物燃料电池的输出功率密度低、产生电压低、电能难以回收利用；其二，微生物燃料电池降解的污染物质主要是无生物毒性的有机物，对持久性有机物的降解效果差。这大大的限制了微生物燃料电池在污染物降解方面的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池包括反应容器，所述反应容器被第一分隔腔和第二分隔腔分隔为光阳极室、微生物阳极室和阴极室，微生物阳极室位于光阳极室和阴极室之间；所述微生物阳极室内为厌氧环境，所述阴极室为好氧环境，所述光阳极室内置有光催化阳极，所述微生物阳极室内置有用于生长产电微生物的生物阳极，所述阴极室内置有生物阴极；光阳极室设有光阳极室进水口和光阳极室出水口，微生物阳极室设有微生物阳极室进水口和微生物阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；所述光阳极室出水口通过所述第一分隔腔与微生物阳极室进水口连通而使光阳极室内的水流能够进入微生物阳极室；所述微生物阳极室出水口通过所述第二分隔腔与阴极室进水口连通而使微生物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第一外电阻，所述生物阳极和所述生物阴极之间串联有第二外电阻。
进一步地，本发明所述光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光阳极室内以使光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，本发明所述光阳极室进水口低于光阳极室出水口，所述微生物阳极室进水口低于光阳极室出水口，所述微生物阳极室进水口低于微生物阳极室出水口，所述阴极室进水口低于微生物阳极室出水口，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）将光电催化技术与微生物燃料电池技术耦合在一起，即采用“光催化+厌氧+好氧”技术，利用光催化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，然后进入微生物阳极室进行厌氧生物降解，再进入阴极室进行好氧生物降解，强化难降解污染物的去除；（2）光催化燃料电池的连接可以有效提高微生物燃料电池的阴极电位，进而提高微生物燃料电池的产能；（3）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；（4）利用光阳极室的内侧侧壁与微生物阳极室一侧侧壁之间以及微生物阳极室另一侧侧壁与阴极室的内侧侧壁之间的空间作为各个室之间的物理阻隔，能够有效保障微生物阳极室的生物反应不受阳极室光催化反应的影响，有效阻断氧气从阴极室向微生物阳极室的扩散，保障阳极室的绝对厌氧环境；同时通过废水从光阳极室向微生物阳极室，再从微生物阳极室向阴极室的溢流而达到传递质子的目的，因此利用反应容器本身的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应容器成本；（5）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是本发明光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池的结构示意图。
图中：1-光阳极室进水口，2-光阳极室，3-第一分隔腔，4-微生物阳极室，5-第二分隔腔，6-阴极室，7-阴极室出水口，8-光催化阳极，9-生物阳极，10-生物阴极，11-电阻一，12-电阻二，13-曝气头，14-空气泵，15-光阳极室的内侧侧壁，16-生物阳极室一侧侧壁，17-生物阳极室另一侧侧壁，18-阴极室的内侧侧壁，19-光阳极室出水口，20-生物阳极室进水口，21-生物阳极室出水口，22-阴极室进水口，23-阴极室出气口，24-反应容器，25-石英玻璃窗口，26-光源。
具体实施方式
如图1所示，本发明光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池包括反应容器24。反应容器24被第一分隔腔3和第二分隔腔5分隔为光阳极室2、微生物阳极室4和阴极室6，微生物阳极室4位于光阳极室2和阴极室6之间。可在微生物阳极室4内接种有产电微生物的厌氧污泥，在阴极室6内接种好氧污泥，从而使得微生物阳极室4内为厌氧环境，阴极室6为好氧环境。光催化阳极8置于光阳极室2内，用于生长产电微生物的生物阳极9置于微生物阳极室3内，生物阴极10置于阴极室6内。光阳极室2设有光阳极室进水口1和光阳极室出水口19，微生物阳极室4设有微生物阳极室进水口20和微生物阳极室出水口21，阴极室6设有阴极室进水口22、阴极室出水口7和阴极室出气口23。光阳极室进水口1低于光阳极室出水口19；微生物阳极室进水口20低于光阳极室出水口19，光阳极室出水口19与微生物阳极室进水口20通过第一分隔腔3连通，从而使光阳极室2内废水依次经由光阳极室出水口19、第一分隔腔3、微生物阳极室进水口20流入微生物阳极室4。微生物阳极室进水口20低于微生物阳极室出水口21，阴极室进水口22低于微生物阳极室出水口21。微生物阳极室出水口21与阴极室进水口22通过第二分隔腔5连通，从而使微生物阳极室4内流出的废水依次经由微生物阳极室出水口21、第二分隔腔5、阴极室进水口22流入阴极室6。阴极室出水口7高于阴极室进水口22。光催化阳极8和生物阴极10之间串联有第一外电阻11，生物阳极9和生物阴极10之间串联有第二外电阻12。
本发明在光阳极室2的侧壁上密封镶嵌有石英玻璃窗口25。在反应容器24的外部设有光源26，光源26正对石英玻璃窗口25，使得光源26发射的光能够通过石英玻璃窗口25进入光阳极室2，从而光阳极室2内的光催化阳极8在光源26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6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13和空气泵14组成。其中，曝气头13置于阴极室进水口22处或置于阴极室6内，空气泵14置于反应容器24外，曝气头13通过穿过反应容器底部的导气管与空气泵14连通。
作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，光阳极室进水口1设于光阳极室2的外侧侧壁的底端，光阳极室出水口19设于光阳极室2的内侧侧壁的顶端；微生物阳极室进水口20设于微生物阳极室4的侧壁的底端，微生物阳极室出水口21设于微生物阳极室4的侧壁的顶端；阴极室进水口22设于阴极室6的内侧侧壁的底端，阴极室出水口7设于阴极室6的外侧侧壁的顶端。此外，优选地将阴极室6的顶部设为敞口状，该敞口为阴极室出气口23。
本发明光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池在工作时，先将废水由光阳极室进水口1引入到光阳极室2内，经光阳极室2内的光催化阳极8的光催化反应后通过光阳极室出水口19流入第一分隔腔3中，然后经微生物阳极室进水口20流入至微生物阳极室4内，在微生物阳极室4内作厌氧处理后通过微生物阳极室出水口21流入第二分隔腔5中，然后经阴极室进水口22流入至阴极室6内，最后在阴极室6内作好氧处理后通过阴极室出水口7流出反应容器24。
可在微生物阳极室4内接种有产电微生物的厌氧污泥，在阴极室6内接种好氧污泥。来自外部的废水经过光阳极室2时，光催化阳极8在光源26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8将所产生的电子流经第一外电阻11到达生物阴极10上；光催化阳极8所产生的质子则从光阳极室2随废水一起经由第一分隔腔3流至微生物阳极室4内，再经由第二分隔腔5流至阴极室6内。来自光阳极室2的废水经过微生物阳极室4时，经光催化降解后生成毒性低的小分子有机物在生物阳极9上的产电微生物的催化作用下氧化分解，同时产生电子和质子。产电微生物将所产生的电子导出到生物阳极9上，生物阳极9上的电子流经第二外电阻12到达生物阴极10上；产电微生物所产生的质子则从微生物阳极室4随废水一起经由第二分隔腔5流至阴极室6内。生物阴极10上的电子与阴极室6内的质子和氧气在好氧生物的催化作用下反应最终生成水，同时，废水中毒性低的小分子有机物在好氧微生物生长代谢中进一步被降解。供氧装置为阴极室6提供氧气。废水流至阴极室6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，由此最终生成氮气并由阴极室出气口23排出，从而实现总氮的去除。此外，光催化燃料电池的连接可以有效提高微生物燃料电池的阴极电位，从而使得微生物燃料电池的功率密度得到大幅提高，进而提高微生物燃料电池的产能。
本发明的阴极室6的顶部优选呈敞口状，并以此敞口作为阴极室出气口23，使得阴极室6内生成的氮气可以很好地从阴极室出气口23排除，同时方便阴极室6的曝气。
第一分隔腔3在本发明反应器中起到了双重作用：一是作为光阳极室2与微生物阳极室4之间的物理阻隔，能够有效保障微生物阳极室4的生物反应不受光阳极室2光催化反应的影响；二是作为连接光阳极室2与微生物阳极室4之间的通道，可以使光阳极室2内的废水从光阳极室出水口19流出后，经由第一分隔腔3而从由微生物阳极室进水口20流入至微生物阳极室4内，从而达到传递质子的目的。由此，废水由位于上方的光阳极室出水口19流出后经由第一分隔腔3而从位于下方的微生物阳极室进水口20流入到微生物阳极室4内。该流态使得本发明的反应容器24不需要使用离子选择性透过膜来阻隔光阳极室2与微生物阳极室4，可以降低成本。
同样，第二分隔腔5在本发明反应器中起到了双重作用：一是作为微生物阳极室4与阴极室6之间的物理阻隔，能够有效阻断氧气从阴极室6向微生物阳极室4的扩散，保障微生物阳极室4的绝对厌氧环境；二是作为连接微生物阳极室4与阴极室6之间的通道，可以使微生物阳极室4内的废水从微生物阳极室出水口21流出后，经由第二分隔腔而从由阴极室进水口22流入至阴极室6内，从而达到传递质子的目的。由此，废水由位于上方的微生物阳极室出水口21流出后经由第二分隔腔5而从位于下方的阴极室进水口22流入到阴极室6内。该流态使得本发明反应容器24不需要使用离子选择性透过膜来阻隔微生物阳极室4与阴极室6，可以降低成本。
光催化阳极8为半导体材料附着在导电基底上，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26根据光催化阳极8半导体材料的性质决定。当光催化阳极8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26可使用可见光光源，如太阳光、氙灯等；当光催化阳极8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26使用紫外光光源，如汞灯等。
生物阳极9可附着产电微生物的载体，其中，载体可选用碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡等。
生物阴极10可附着具有电化学活性的生物膜的载体，其中，载体可选用碳纸、碳布、碳纤维刷、碳毡等。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去除废水中的含氮化合物，最终变成氮气排出。生物阴极10，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。

Claims (10)

1.一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：包括反应容器（24），所述反应容器（24）被第一分隔腔（3）和第二分隔腔（5）分隔为光阳极室（2）、微生物阳极室（4）和阴极室（6），微生物阳极室（4）位于光阳极室（2）和阴极室（6）之间；所述微生物阳极室（4）内为厌氧环境，所述阴极室（6）为好氧环境，所述光阳极室（2）内置有光催化阳极（8），所述微生物阳极室（4）内置有用于生长产电微生物的生物阳极（9），所述阴极室（6）内置有生物阴极（10）；光阳极室（2）设有光阳极室进水口（1）和光阳极室出水口（19），微生物阳极室（4）设有微生物阳极室进水口（20）和微生物阳极室出水口（21），阴极室（6）设有阴极室进水口（22）、阴极室出水口（7）和阴极室出气口（23）；所述光阳极室出水口（19）通过所述第一分隔腔（3）与微生物阳极室进水口（20）连通而使光阳极室内的水流能够进入微生物阳极室；所述微生物阳极室出水口（21）通过所述第二分隔腔（5）与阴极室进水口（22）连通而使微生物阳极室内的水流能够进入阴极室；所述光催化阳极（8）和所述生物阴极（10）之间串联有第一外电阻（11），所述生物阳极（9）和所述生物阴极（10）之间串联有第二外电阻（12）。
2.根据权利要求1所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述光阳极室（2）的侧壁上设有石英玻璃窗口（25）。
3.根据权利要求2所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：在反应容器（24）的外部设有光源（26），所述光源（26）发射的光能够通过所述石英玻璃窗口（25）进入所述光阳极室（2）内以使光阳极室（2）内的光催化阳极（8）进行光催化反应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：还包括为所述阴极室（6）提供氧气的供氧装置。
5.根据权利要求4所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述供氧装置包括相互连通的曝气头（13）和空气泵（14），其中，所述曝气头（13）置于阴极室进水口（22）处或置于阴极室（6）内，所述空气泵（14）置于所述反应容器（24）的外部。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述光阳极室进水口（1）低于光阳极室出水口（19），所述微生物阳极室进水口（20）低于光阳极室出水口（19），所述微生物阳极室进水口（20）低于微生物阳极室出水口（21），所述阴极室进水口（22）低于微生物阳极室出水口（21），所述阴极室出水口（7）高于阴极室进水口（22）。
7.根据权利要求4所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述光阳极室进水口（1）低于光阳极室出水口（19），所述微生物阳极室进水口（20）低于光阳极室出水口（19），所述微生物阳极室进水口（20）低于微生物阳极室出水口（21），所述阴极室进水口（22）低于微生物阳极室出水口（21），所述阴极室出水口（7）高于阴极室进水口（22）。
8.根据权利要求1、2、3、5或7所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述阴极室（6）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（23）。
9.根据权利要求4所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述阴极室（6）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（23）。
10.根据权利要求6所述的光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池，其特征在于：所述阴极室（6）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（23）。
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