CN105355951B - 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法 - Google Patents

一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105355951B
CN105355951B CN201510736851.7A CN201510736851A CN105355951B CN 105355951 B CN105355951 B CN 105355951B CN 201510736851 A CN201510736851 A CN 201510736851A CN 105355951 B CN105355951 B CN 105355951B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
exocoel
microorganism
temperature
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510736851.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105355951A (zh
Inventor
李浩然
康金星
杜竹玮
邓祥意
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CHINA OCEAN MINERAL RESOURCES R&D ASSOCIATION
Institute of Process Engineering of CAS
Original Assignee
CHINA OCEAN MINERAL RESOURCES R&D ASSOCIATION
Institute of Process Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CHINA OCEAN MINERAL RESOURCES R&D ASSOCIATION, Institute of Process Engineering of CAS filed Critical CHINA OCEAN MINERAL RESOURCES R&D ASSOCIATION
Priority to CN201510736851.7A priority Critical patent/CN105355951B/zh
Publication of CN105355951A publication Critical patent/CN105355951A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105355951B publication Critical patent/CN105355951B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104—Regulation of differential pressures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

本发明涉及变温变压且气氛可调的微生物燃料电池，属于微生物电化学技术领域。本发明在处理有机废水、重金属废水的同时获得电能或氢气。本发明电池包括微生物电池反应装置和变温变压气氛调控装置。所述的变温变压气氛调控装置，用外设密封装置及引入/抽出气体调控微生物电池的运行环境温度、压力，并能调控气体比配、收集等。本发明优点在于，适用于各种微生物燃料电池(电解电池)，拓展了电池采用微生物的种类，电池运行的压力、温度、气氛可调控，电池结构简单，可长期稳定运行；适用于非常规的自然和工农业生产环境，拓宽了电池应用范围，促进微生物燃料电池(电解电池)的工业应用。

Description

一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法
技术领域
本发明属于微生物电化学技术领域，具体地，涉及一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法，特别涉及一种在变压(100-107Pa)、变温(-10-150℃)、好氧/厌氧、光照/遮光气氛等可调环境下运行的微生物电池，处理有机废水、重金属废水的同时获得电能或制取氢气。
背景技术
微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是通过产电微生物代谢，将有机物的化学能转化成电能的先进能源技术，受到了研究人员的广泛关注。文献已报道的产电微生物大多为异养菌，以有机物为基质，少数为自养菌，以H2、S、S2-和NH3为基质。产电微生物的生长条件除受温度、pH、氧浓度影响外，压力也是影响其生长的重要因素，低温高压会抑制一些来自淡水河流或污泥产电菌的生长，却是维持一些来自湖泊或海洋的产电菌生长的必要条件。
专利“带恒温控制的微生物燃料电池”(CN 203377328 U)通过恒温控制，保证了微生物燃料电池的工作性能，延长了使用寿命，但其局限于温度的控制，对微生物电池气氛及电池承压状态并未提及。现有的微生物燃料电池绝多在常压条件下，电池中难以采用极端微生物(嗜热、嗜压、嗜冷等微生物)来降解重金属废水及有机废物，且如何在变压条件下利用产电微生物，压力对其产电性能影响，及压力对重金属废水及有机物微生物降解影响的研究存在空白，调节控制压力和温度的微生物燃料电池是微生物燃料电池技术发展的需要。
MFC的产电机制包括底物生物氧化(式1)、阳极还原、外电路电子传输、质子迁移、阴极反应(式2)五个步骤。
阳极反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+ (1)
阴极反应:6O2+24H++24e-→12H2O (2)
氧作为空气阴极MFC最常见的电子受体，产物为水，无污染，具有很大的实际应用前景。但普通的MFC空气阴极中氧气的还原反应活性较低，限制了MFC输出电压的。专利“提高微生物电池阴极氧传递效率的方法及相应电池”(CN 102034998 A)利用导流机构增强了阴极瀑气强度，提高阴极液溶解氧浓度，增加了燃料电池的产电能力。阴极液溶解氧浓度由阴极液温度、阴极气氛氧分压影响，因此，采用调节控制MFC阴极气体气氛的比配、加压、减压等，来改变阴极气氛的微生物燃料电池具有深远的实际意义。
在微生物燃料电池模式下运行的微生物制氢电解电池(microbial electrolysisCell，MEC)是微生物电池的全新拓展。它是利用产电微生物作为阳极催化剂，在阳极氧化有机物产生二氧化碳、电子和质子，电子和质子在阴极借助外加的微小电压克服产氢反应结合产生氢气，并可设计为单室和双室微生物电解电池。专利“用于制氢的套筒型无膜微生物电解电池”(CN 101958424 A)是以糖类、有机酸及高浓度有机废水为底物产氢的单室无膜微生物电解电池，但其运行并未控制温度、压力气氛，产出氢气并未控制纯度。因此，设计出高能效、高稳定性的微生物电解电池具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供解决现有微生物电池所采用的微生物为常压、中温微生物，对一些极端微生物(嗜热微生物、嗜压微生物、嗜冷微生物等)及一些对温度、压力、气氛极敏感的微生物未拓展利用的问题，以及达到微生物电池中有机物废物或重金属离子一些特定化学反应的压力、温度和气氛条件问题。利用变温变压且气氛可调的微生物电池大幅度拓展了微生物电池采用的微生物种类，微生物种类不再局限于常压中温微生物；利用该电池，微生物生长繁殖的同时，处理重金属废水、有机废物，输出电能更大、周期更长且更稳定，借助于外加电压，还可生产氢气等有用气体。这种微生物电池拓宽了微生物电池的应用范围，在恶劣环境，如高温、高压、低温、低压环境下，采用极端微生物的催化，电池亦可高效运行，适用于自然、工农业生产等各种非常规的环境，促进微生物电池利用技术的工业化应用，在解决有机物、重金属污染同时，清洁生产电能或氢气等能源。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是在改变温度和压力及气氛条件下运行微生物电池，在特定温度、压力、气氛条件下降解有机废物及重金属废水的同时，对外供能或催化降解有机物制氢。微生物电池包括微生物电池反应装置，变温变压气氛调节控制装置。
本发明提供的变温变压且气氛可调的微生物电池，包括微生物电池反应室1、压力调节控制系统和温度调节控制系统，其中，
所述压力控制系统包括压控密封外腔2、压差表7、气体输入阀10-1、气体输出阀10-2、输入气体流量计12-1、输出气体流量计12-2、供气瓶13、三通阀14、集气瓶15和真空泵16；
所述压控密封外腔2密封设于微生物电池反应室1外；所述气体输入阀10-1一端通过导管11通连至压控密封外腔2内，另一端通过导管11顺次连接输入气体流量计12-1与供气瓶13；所述气体输出阀10-2一端通过导管11通连至压控密封外腔2内，另一端通过导管11顺次连接输出气体流量计12-2与三通阀14，所述三通阀14分接集气瓶15和真空泵16；
所述压差表7的压力探头伸入压控密封外腔2内；
所述温度调节控制系统包括温控外腔4和温控仪5，所述温控外腔4密闭设于压控密封外腔2外，所述温控仪5的温度探头伸入温控外腔4与压控密封外腔2之间的空间。
本发明所述的微生物电池反应室1，为本领域单室、双室等各构型的微生物燃料电池装置反应室，包括阴极室和阳极室，内置在外腔密封装置内，具体地，可根据不同型号配备不同的外腔密封装置(压控密封外腔2和温控外腔4)。
本发明的微生物电池即可以用作微生物燃料电池又可以用作微生物电解电池。
本发明所述微生物电池反应室为单室或双室的阴极和阳极反应室。
本发明所述的微生物电池，其接入的微生物种类为产电微生物，尤其适用于在极端环境下生存的微生物，如从深海沉积物、湖底沉积物以及尾矿库中分离的微生物中的一种或多种的组合。
当本发明用作微生物燃料电池时，基于本发明的微生物电池的燃料电池运行方法，包括以下步骤：
1)微生物电池反应室1使用微生物燃料电池，微生物电解电池反应室适用于单室或双室各构型的阴极和阳极反应室，向电池阳极室加入阳极室缓冲液、含产电微生物的培养基以及待降解有机、重金属废水底物，向电池阴极室加入阴极缓冲液；将微生物电池反应室阴阳极通过导线连接外电路；
2)通过压力控制系统调节压控密封外腔2内压力以及调节气氛，通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度；
3)微生物在电池反应室(1)内降解有机废物或重金属废水，并将微生物电池反应室1产生的电能通过外电路输出；
其中，步骤2)所述通过压力控制系统调节压控密封外腔内压力包括加压控制运行与减压控制运行；
所述的加压控制运行，包括：关闭气体输入阀10-1开真空泵16经三通阀14抽出压控密封外腔2内原有气体，关闭气体输出阀10-2，将供气瓶13内气体通过气体流量计12-1用导管11，经气体输入阀10-1输入到压控密封外腔内，压差表7检测腔内压力，达到所需压力时，关闭气体输入阀10-1和气体输出阀10-2，实现加压气氛控制；
所述的减压控制运行，包括：关闭气体输入阀10-1，开三通阀14连接真空泵16抽出压控密封外腔2内气体，达到所需负压，关闭气体输出阀10-2控制腔内压力，微生物电池在所需负压下运行；
步骤2)所述通过压力控制系统调节通气气氛，包括：关闭气体输入阀10-1开真空泵16经三通阀14抽出压控密封外腔2内原有气体，关闭气体输出阀10-2，打开气体输入阀10-1输入供气瓶内经气体流量计12-1的气体；所述的通气气体配比，用三通阀连接不同气体流量计，将不同供气瓶中气体按气体流量计控制的比例经气体输入阀10-1输入压控密封外腔2内，微生物电池在控制气氛条件下运行；
步骤2)所述通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度，包括：使用温控仪检测温控外腔4内温度，根据检测到的温度变化通过控制所连接的制冷或加热装置对温控外腔4制冷或加热。
当本发明用作微生物燃料电池时，基于本发明的微生物电池的电解方法，包括以下步骤：
1)微生物电池反应室1使用微生物电解电池，微生物电解电池反应室适用于单室或双室各构型的阴极和阳极反应室，向电池阳极室加入阳极室缓冲液、含电解微生物的培养基以及待降解底物，向电池阴极室加入阴极缓冲液；将微生物电池反应室阴阳极通过导线连接外电源；
2)通过压力控制系统调节压控密封外腔2内压力以及调节气氛，通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度；
3)微生物在电池反应室(1)内降解有机废物或重金属废水，并将微生物电池反应室1产生的气体依次经气体输出阀10-2、输出气体流量计12-2和三通阀14，存入集气瓶15；
其中，步骤2)压力控制系统调节压控密封外腔内压力包括加压控制运行与减压控制运行；所述的加压控制运行与减压控制运行与上述微生物燃料电池时相同；
步骤2)所述的压力控制系统调节通气气氛与上述微生物燃料电池时相同；
步骤2)所述通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度与上述微生物燃料电池时相同。
根据本发明的微生物电池，其中，所述温控仪5连接制冷和加热装置，输出端连接制冷和加热装置的输入端，所述的制冷和加热装置、温度传感器封装在所述温控外腔内部，或由恒温装置经外部对温控外腔制冷/加热，所述的温度传感器输出端与温控仪输入端连接，温控制冷/加热装置优先采用半导体制冷/加热器，或外部水/油浴、电加热等恒温。
根据本发明的微生物电池，其中，所述压控密封外腔2的材料能承受一定压力的不锈钢、透光材料、有机材料等，所述温控外腔4由隔热保温材料或导热良好的金属材料制成。
根据本发明，在上述微生物电池作为微生物燃料电池或者微生物电解电池时，所述通过压力控制系统调节压控密封外腔2内压力在100-107Pa；所述温度调节控制系统调节温控外腔4内温度在-10-150℃。
本发明所述阳极室装入阳极室缓冲液及含微生物的培养基，阴极室加入阴极缓冲液；降解底物(例如，有机废水及重金属废水)加入阳极室，利用微生物催化降解，释放出电子和质子，微生物将电子转移到阳极，并经外电路传递到阴极，阴极室氧化剂与电子、质子发生化学反应，或利用微生物在阳极氧化有机物产生质子和电子，并传递到阴极，在阴极借助外加电压(0.2-1.5V)相结合产出氢气；电子在电极间的转移产生了电压，为外部电路供电，或受外加电压作用在阴极与氢结合制氢；阳极室微生物降解底物同时，产生有用气体，能收集使用；阴极室化学反应有用产物，如氢气，能回收利用。
所述的微生物电池接入的微生物为在极端环境，如深海沉积物，湖底沉积物，尾矿库中分离的微生物，及微生物电池已报导利用的微生物，可在温度(-10-150℃)、压力(100-107Pa)、好氧/厌氧、光照/遮光等环境下催化有机物及重金属废水的分解。
本发明所述的微生物电池，包括微生物电池产气收集、光照/遮光密封运行。
所述的微生物电解电池产气收集，打开输入气体阀，使用供气瓶内气体排出腔内气体，关闭输入气体阀，开三通阀通集气瓶端待电池运行完成气体收集。
所述的光照/遮光密封运行，具体地，用透光或非透光的压控外腔及输/排气管路控制微生物电池运行。
与现有技术相比，本发明所述的变温变压且气氛可调的微生物电池的优点在于：
本发明极大地拓宽了微生物电池运行环境和应用范围，嗜热微生物、嗜压微生物、嗜冷微生物等极端微生物，在恶劣的自然或工业、农业生产环境下，如深海、湖底、矿井、高山、钢厂冶金废水池、尾矿库矿库等，使有机废物或重金属废水，催化降解的同时产电或产氢，且在高温高压等条件下，提高降解效率。由于微生物电池反应室置于密封腔内，并使用阀门等构成切换开关，控制简单，气体回收方便。
附图说明
图1为本发明的变温变压且气氛可调的微生物电池示意图。
图2为变温变压降解有机废物微生物燃料电池的电压-时间曲线。
图3为变温变压降解有机废物微生物燃料电池的功率密度曲线。
图4为变压控气降解重金属废水微生物燃料电池的电压-时间曲线。
图5为变压控气降解重金属废水微生物燃料电池的功率密度曲线。
图6为外加电压为0.8V时控制气氛的变温变压微生物电解电池产氢量和电流随时间的变化。
附图标记
1、微生物电池反应室 2、压控密封外腔 3、固定螺丝
4、温控外腔 5、温控仪 6、导线
7、压差表 8、负载电阻 9、外电路
10-1、气体输入阀 10-2、气体输出阀 10-3、集气瓶排气阀
11、导气管 12-1、输入气体流量计
12-2、输出气体流量计 13、供气瓶 14、三通阀
15、集气瓶 16、真空泵
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的变温变压且气氛可调的微生物电池，包括微生物电池反应室1、压力调节控制系统和温度调节控制系统，其中，所述压力控制系统包括压控密封外腔2、压差表7、气体输入阀10-1、气体输出阀10-2、输入气体流量计12-1、输出气体流量计12-2、供气瓶13、三通阀14、集气瓶15和真空泵16；所述压控密封外腔2密封设于微生物电池反应室1外，优选使用固定螺丝3固定密封上封盖；所述气体输入阀10-1一端通过导管11通连至压控密封外腔2内，另一端通过导管11顺次连接输入气体流量计12-1与供气瓶13；所述气体输出阀10-2一端通过导管11通连至压控密封外腔2内，另一端通过导管11顺次连接输出气体流量计12-2与三通阀14，所述三通阀14分接集气瓶15和真空泵16；所述压差表7的压力探头伸入压控密封外腔2内；所述温度调节控制系统包括温控外腔4和温控仪5，所述温控外腔4密闭设于压控密封外腔2外，所述温控仪5的温度探头(或温度传感器)伸入温控外腔4与压控密封外腔2之间的空间。
本发明的微生物电池可以做为微生物燃料电池或微生物电解电池。当微生物电池反应室运作为微生物燃料电池时，外电路9接数据采集装置，外电路9上串联一个外电阻，并在该电阻上并联电压表采集电压数据；当微生物电池反应室运作为微生物电解电池时，外电路9接直流电源和数据采集装置。同时，与外电路串联负载电阻8，在该电阻上并联电压表采集电压数据。
本发明在实际应用时，可以实现对微生物电池的变温、变压、气氛控制运行，包括变温控制运行，变压控制运行，通气气氛配比控制运行，好氧/厌氧环境运行，光照/遮光气氛运行。本发明可以同时控制微生物电池运行压力、温度、气氛配比、好氧/厌氧及光照/遮光控制运行的任意两种，或几种同时控制。
具体地，本发明通过压力控制系统调节压控密封外腔2内压力以及调节气氛，通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度；
所述的加压控制运行，包括：关闭气体输入阀10-1开真空泵16经三通阀14抽出压控密封外腔2内原有气体，关闭气体输出阀10-2，将供气瓶13内气体通过气体流量计12-1用导管11，经气体输入阀10-1输入到压控密封外腔内，压差表7检测腔内压力，达到所需压力时，关闭气体输入阀10-1和气体输出阀10-2，实现加压气氛控制；
所述的减压控制运行，包括：关闭气体输入阀10-1，开三通阀14连接真空泵16抽出压控密封外腔2内气体，达到所需负压，关闭气体输出阀10-2控制腔内压力，微生物电池在所需负压下运行；所需负压可进行气体组分控制。
所述通过压力控制系统调节通气气氛，包括：关闭气体输入阀10-1开真空泵16经三通阀14抽出压控密封外腔2内原有气体，关闭气体输出阀10-2，打开气体输入阀10-1输入供气瓶内经气体流量计12-1的气体；所述的通气气体配比，用三通阀连接不同气体流量计，将不同供气瓶中气体按气体流量计控制的比例经气体输入阀10-1输入压控密封外腔2内，微生物电池在控制气氛条件下运行；
所述通过温度调节控制系统调节温控外腔4内温度，包括：使用温控仪检测温控外腔4内温度，根据检测到的温度变化通过控制所连接的制冷或加热装置对温控外腔4制冷或加热。
当本发明的微生物电池反应室为微生物电解电池时，将微生物电池反应室1产生的气体依次经气体输出阀10-2、输出气体流量计12-2和三通阀14，存入集气瓶15；集气瓶15中的气体可以根据实际需要，经集气瓶排气阀10-3排出。
实施例1
变温变压降解有机废水微生物燃料电池和变温变压降解有机物微生物电解电池选用的微生物菌种来自北京高碑店污水处理厂一级消化池的厌氧消化污泥，污泥中产电菌经过分离和纯化得到富集的菌液，富集菌液再经分批培养和富集培养得到具有良好产电性能的混合产电菌液。
该微生物燃料电池由树脂玻璃组成，质子交换膜(Nafion 117，0.19mm，Dupont)将方块体均分为阴极室和阳极室，阳极室上部开有一个取样口，阴极室上部有一个空气孔。电池的阳极为电化学处理后的石墨毯，阴极石墨毯表面涂有0.25mg/cm2的铂，阴极和阳极石墨毯尺寸大小一样。将混合产电菌液接种到双室微生物燃料电池，在室温条件下阳极室加入70mL阳极液和10mL产电菌，阴极室加入80mL阴极液启动电池，保持阳极在厌氧环境下，而阴极与空气相通，阴极和阳极用钛线连接，外电阻为510Ω。其中，阳极液和阴极液组成如表1、表2所示。
变温变压电池稳定运行一个周期结束后，当电池的电压降到背景电压时，排出阳极液，向电池中加入新的阳极液和加入40mL的取自北京京郊某养鸡场鸡粪废水，在空气压力1×105Pa、室温(23±5℃)下运行一个周期结束后，进行控温控压试验，控制电池空气压力和温度分别在2×105Pa、18±1℃及5×104Pa、35±1℃运行，不同温度压力下电池运行的电压曲线如图2所示。不同温度压力下电池的输出电压达到最大，且输出稳定时，改变外电阻大小，记录不同外阻条件下电池的输出电压，得到电池的功率密度曲线如图3所示。
表1阳极室缓冲液组成(/L)
基础培养基 KCl 0.13g，NH4Cl 0.31g，NaH2PO4 2.93g
Wolfe’s vitamin solution 10mL，参见美国菌种库ATCCmedium 2433
Wolfe’s mineral solution 10mL，参见美国菌种库ATCCmedium 2433
NaCl 2.90g
缓冲液 NaHCO3 2.50g
表2阴极室缓冲液组成(/L)
基础培养基 KCl 0.13g，NH4Cl 0.2g，NaH2PO4 0.60g
缓冲剂及电解质 CH3COONa 2.0g
NaCl 2.9g
在常压室温、加压18℃、减压35℃下，用变温变压微生物燃料电池分别降解北京某养鸡场鸡粪废水8天，鸡粪废水COD含量约1200mg/L，不同条件电池对COD的去除效果如表3所示。
表3不同温度压力变温变压微生物燃料电池去除COD结果
污染物 处理前 常压室温 2×105Pa，18±1℃ 5×104Pa，35±1℃
COD(mg/L) 1200 398.80 314.45 298.48
在上述微生物燃料电池模式下启动微生物电解电池，在电池达到最大且运行一个周期后，排出阳极液，向电池中加入新的阳极液和加入40mL的鸡粪废水，并按50mmol/L加入醋酸钠，阴极室加入阴极液，曝氮气保证阴极室和阳极室均处于厌氧环境，在外电路上接1.0V的外电压和10Ω外电阻，控制电池分别在3×104Pa、20±1℃及5×104Pa、30±1℃遮光条件下运行启动微生物电解电池，产生的氢气经气体输出管路用集气袋收集，外电路电流保持在30mA左右，电池运行6天不同条件电池产生氢气量如表4所示。
表4不同温度压力变温变压微生物电解电池产生的氢气量
温度、压力 3×104Pa，20℃ 5×104Pa，30℃
氢气体积(mL) 900 1100
实施例2
变温变压降解重金属废水的微生物燃料电池微生物为某异化还原菌，以氧化醋酸钠等有机物为生长能量，以该异化菌为模式，构建变温变压无膜空气阴极微生物燃料电池。
该电池阳极石墨毯采用电化学氧化法处理，阴极置于主体结构的上部，阴极表面镀有0.25mg/cm2的铂。向无膜空气阴极微生物燃料电池种加入70mL含钒废水，接种10mL异化菌，室温下启动电池。阴极和阳极通过钛线与外电路相连，并接510Ω的电阻。在一个周期结束时，进行压力和气氛控制，真空抽出压控密封外腔内原有气体，再压入氮气或氧气，使微生物燃料电池反应室分别在阴极表面气压1×105空气压力、2×105氧气压力、25×105Pa氮气压力下运行，不同气氛压力条件下电池运行的电压-时间曲线如图4所示。改变外电阻，得到不同气氛压力条件下电池的功率密度曲线如图5所示。
在1×105空气压力、2×105氧气压力、25×105Pa氮气压力下，用变压微生物燃料电池分别降解重金属废水8天，重金属废水NaVO3含量约200mg/L，不同压力条件，异化菌接种8天的菌种总数及电池对NaVO3的还原率效果分别如表5、表6所示。室温25×105Pa氮气压力下，微生物电池运行8天NaVO3的去除率达到88.73％。
表5不同气氛压力变温变压微生物燃料电池8天的菌种总数
气压(Pa) 1×105空气压力 2×105氧气压力 25×105氮气压力
菌种总数(cfu/mL) 6.9×108 1.2×108 8.8×108
表6不同气氛压力变温变压微生物燃料电池的VO3 -还原结果
气压(Pa) 1×105空气压力 2×105氧气压力 25×105氮气压力
还原率(％) 83.22 63.79 88.73
实施例3
构建变温变压且控制气氛降解有机-金属复合废水的空气无膜微生物燃料电池，其中微生物来自中国大洋生物样品灌保存的太平洋海底表层沉积物，经筛选、富集培养获得具良好产电性能的混合产电菌。
该电池阳极石墨毯用电化学氧化法处理，阴极位于结构上部，阴极表面镀有0.25mg/cm2的铂。向无膜空气阴极微生物燃料电池中加入70mL取自某矿山的有机-金属复合废水，接种10mL混合产电菌，钛线连接阴极和阳极，并与外电路相连，接510Ω的外电阻。抽出压控外腔内原有气体，按5×105Pa压入氮气，温度恒定为25℃，并做室温1×105Pa空气对照试验，启动微生物燃料电池。电池启动运行一个周期后，停止实验，有机-金属复合污染物处理结果如表7所示。
表7变温变压微生物燃料电池有机-金属复合污染物处理结果
实施例4
构建微生物电解电池的微生物为厌氧消化污泥中驯化、富集提纯的混合产电菌及嗜氢微生物，阳极由钛丝和活性炭纤维制成，阴极则是两面分别涂覆颗粒活性炭层和扩散层的炭布，按1：1的体积比将有机废水与电解营养液以微生物燃料电池模式常压室温下启动电解池，外电路中接入50Ω外电阻，待电池电压达到最大且稳定时，按4g/L的比例加入有机基质，然后将混合溶液加入到电解池中作为电解液，密封阴极和阳极室，抽出或压入惰性气体使阴极和阳极都处于厌氧状态。其中，电解营养液组成如表8所示。
表8电解营养液组成(/L)
利用在电池阴阳极外加直流0.8V电压，使电解池在室温1×105Pa氮气压力、20℃2×104Pa氮气压力、33℃5×102Pa氢气压力下运行制氢，不同气氛温度压力条件下，电解池运行曲线如图6所示，电池制氢效果如表9所示。
表9不同气氛温度压力条件下微生物电解池产氢效果

Claims (9)

1.一种变温变压且气氛可调的微生物电池，包括微生物电池反应室(1)、压力控制系统和温度调节控制系统，其特征在于，
所述压力控制系统包括压控密封外腔(2)、压差表(7)、气体输入阀(10-1)、气体输出阀(10-2)、输入气体流量计(12-1)、输出气体流量计(12-2)、供气瓶(13)、三通阀(14)、集气瓶(15)和真空泵(16)；
所述压控密封外腔(2)密封设于微生物电池反应室(1)外；所述气体输入阀(10-1)一端通过导管(11)通连至压控密封外腔(2)内，另一端通过导管(11)顺次连接输入气体流量计(12-1)与供气瓶(13)；所述气体输出阀(10-2)一端通过导管(11)通连至压控密封外腔(2)内，另一端通过导管(11)顺次连接输出气体流量计(12-2)与三通阀(14)，所述三通阀(14)分接集气瓶(15)和真空泵(16)；
所述压差表(7)的压力探头伸入压控密封外腔(2)内；
所述温度调节控制系统包括温控外腔(4)和温控仪(5)，所述温控外腔(4)密闭设于压控密封外腔(2)外，所述温控仪(5)的温度探头伸入温控外腔(4)与压控密封外腔(2)之间的空间。
2.根据权利要求1所述的微生物电池，其特征在于，所述微生物电池反应室为单室或双室的阴极和阳极反应室。
3.根据权利要求1所述的微生物电池，其特征在于，所述微生物电池接入的微生物为从深海沉积物、湖底沉积物以及尾矿库中分离的微生物中的一种或多种的组合。
4.一种基于权利要求1-3任一所述微生物电池的产电方法，包括以下步骤：
1)微生物电池反应室(1)使用微生物燃料电池，向电池阳极室加入阳极室缓冲液、含产电微生物的培养基以及待降解有机废物或重金属废水，向电池阴极室加入阴极缓冲液；将微生物电池反应室阴阳极通过导线连接外电路；
2)通过压力控制系统调节压控密封外腔(2)内压力以及调节气氛，通过温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度；
3)微生物在电池反应室(1)内降解有机废物或重金属废水，并将微生物电池反应室产生的电能通过外电路输出；
其中，步骤2)所述通过压力控制系统调节压控密封外腔内压力包括加压控制运行与减压控制运行；
所述的加压控制运行，包括：关闭气体输入阀(10-1)开真空泵(16)经三通阀(14)抽出压控密封外腔(2)内原有气体，关闭气体输出阀(10-2)，将供气瓶(13)内气体通过气体流量计(12-1)用导管(11)，经气体输入阀(10-1)输入到压控密封外腔内，压差表(7)检测腔内压力，达到所需压力时，关闭气体输入阀(10-1)和气体输出阀(10-2)，实现加压气氛控制；
所述的减压控制运行，包括：关闭气体输入阀(10-1)，开三通阀(14)连接真空泵(16)抽出压控密封外腔(2)内气体，达到所需负压，关闭气体输出阀(10-2)控制腔内压力，微生物电池在所需负压下运行；
步骤2)所述通过压力控制系统调节通气气氛，包括：关闭气体输入阀(10-1)开真空泵(16)经三通阀(14)抽出压控密封外腔(2)内原有气体，关闭气体输出阀(10-2)，打开气体输入阀(10-1)输入供气瓶内经气体流量计(12-1)的气体；所述的通气气体配比，用三通阀连接不同气体流量计，将不同供气瓶中气体按气体流量计控制的比例经气体输入阀(10-1)输入压控密封外腔(2)内，微生物电池在控制气氛条件下运行；
步骤2)所述通过温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度，包括：使用温控仪检测温控外腔(4)内温度，根据检测到的温度变化通过控制所连接的制冷或加热装置对温控外腔(4)制冷或加热。
5.根据权利要求4所述的产电方法，其特征在于，所述通过压力控制系统调节压控密封外腔(2)内压力在100-107Pa。
6.根据权利要求4所述的产电方法，其特征在于，所述温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度在-10-150℃。
7.一种基于权利要求1-3任一所述微生物电池的电解方法，包括以下步骤：
1)微生物电池反应室(1)使用微生物电解电池，向电池阳极室加入阳极室缓冲液、含电解微生物的培养基以及待降解底物，向电池阴极室加入阴极缓冲液；将微生物电池反应室阴阳极通过导线连接外电源；
2)通过压力控制系统调节压控密封外腔(2)内压力以及调节气氛，通过温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度；
3)微生物在电池反应室(1)内降解有机废物和重金属废水，并将微生物电池反应室7产生的气体依次经气体输出阀(10-2)、输出气体流量计(12-2)和三通阀(14)，存入集气瓶(15)；
其中，步骤2)压力控制系统调节压控密封外腔内压力包括加压控制运行与减压控制运行；
所述的加压控制运行，包括：关闭气体输入阀(10-1)开真空泵(16)经三通阀(14)抽出压控密封外腔(2)内原有气体，关闭气体输出阀(10-2)，将供气瓶(13)内气体通过气体流量计(12-1)用导管(11)，经气体输入阀(10-1)输入到压控密封外腔内，压差表(7)检测腔内压力，达到所需压力时，关闭气体输入阀(10-1)和气体输出阀(10-2)，实现加压气氛控制；
所述的减压控制运行，包括：关闭气体输入阀(10-1)，开三通阀(14)连接真空泵(16)抽出压控密封外腔(2)内气体，达到所需负压，关闭气体输出阀(10-2)控制腔内压力，微生物电池在所需负压下运行；
步骤2)所述的压力控制系统调节通气气氛，包括：关闭气体输入阀(10-1)开真空泵(16)经三通阀(14)抽出压控密封外腔(2)内原有气体，关闭气体输出阀(10-2)，打开气体输入阀(10-1)输入供气瓶内经气体流量计(12-1)的气体；所述的通气气体配比，用三通阀连接不同气体流量计，将不同供气瓶中气体按气体流量计控制的比例经气体输入阀(10-1)输入压控密封外腔(2)内，微生物电池在控制气氛条件下运行；
步骤2)所述通过温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度，包括：使用温控仪检测温控外腔(4)内温度，根据检测到的温度变化通过控制所连接的制冷或加热装置对温控外腔(4)制冷或加热。
8.根据权利要求7所述的电解方法，其特征在于，所述通过压力控制系统调节压控密封外腔(2)内压力在100-107Pa。
9.根据权利要求7所述的电池电解方法，其特征在于，所述温度调节控制系统调节温控外腔(4)内温度在-10-150℃。
CN201510736851.7A 2015-11-03 2015-11-03 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法 Expired - Fee Related CN105355951B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510736851.7A CN105355951B (zh) 2015-11-03 2015-11-03 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510736851.7A CN105355951B (zh) 2015-11-03 2015-11-03 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105355951A CN105355951A (zh) 2016-02-24
CN105355951B true CN105355951B (zh) 2018-04-03

Family

ID=55331868

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510736851.7A Expired - Fee Related CN105355951B (zh) 2015-11-03 2015-11-03 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105355951B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110048146B (zh) * 2019-04-26 2021-09-28 南通大学 一种负压吸附式微生物燃料电池
CN113359436B (zh) * 2021-05-13 2023-12-19 齐鲁工业大学 微生物燃料电池的t-s模糊保性能控制方法及系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8418775D0 (en) * 1984-07-24 1984-08-30 Queen Elizabeth College Operation of microbial fuel cells
CN102786330A (zh) * 2012-08-24 2012-11-21 哈尔滨工业大学 生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统
CN103811791B (zh) * 2014-01-29 2015-12-09 中国科学院成都生物研究所 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105355951A (zh) 2016-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sharma et al. Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC)
Luo et al. Autotrophic biocathode for high efficient sulfate reduction in microbial electrolysis cells
Guo et al. Hydrogen production from acetate in a cathode-on-top single-chamber microbial electrolysis cell with a mipor cathode
CN101270368B (zh) 有机废水梯级利用生物产氢的方法
CN105906051B (zh) 一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统
CN105176614B (zh) 一种微生物电化学原位沼气脱硫的方法
CN105695319B (zh) 一种生物电合成系统及利用该系统合成乙酸和/或乙醇的方法
CN110078225B (zh) 一种微生物电解池及有机物氧化降解同步co2甲烷化方法
CN113234590B (zh) 一种沼气制备装置及方法
Hou et al. Features of Golenkinia sp. and microbial fuel cells used for the treatment of anaerobically digested effluent from kitchen waste at different dilutions
Jia et al. Hydrogen production from wastewater using a microbial electrolysis cell
CN104828938B (zh) 一种含磷有机废水多段除磷产磷化氢的装置
CN103073114A (zh) 一种低处理成本的废水脱色方法
CN106630177A (zh) 一种利用微生物电解池处理焦化废水并产氢的方法及装置
CN103518282B (zh) 微生物燃料电池
CN103787490B (zh) 一种用于处理有机氟废水的生物电化学反应器及有机氟废水的处理方法
CN104141146A (zh) 利用有机废弃物制氢的方法及装置
CN105355951B (zh) 一种变温变压且气氛可调的微生物电池及其产电和电解方法
CN206451764U (zh) 一种同步硝化短程反硝化的mfc反应器
CN110183029B (zh) 一种将有机废水转化为乙酸的装置与方法
Xu et al. Biogas upgrading and valorization to single-cell protein in a bioinorganic electrosynthesis system
CN113430234B (zh) 一种外加电势强化厌氧微生物产中链脂肪酸的方法
CN203346383U (zh) 利用有机废弃物制氢的装置
CN105214476B (zh) 固定废气中二氧化碳生成有机物产品同时处理污水的微生物电化学反应器及方法
CN100380724C (zh) 从有机废水中发电的空气阴极生物燃料电池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180403

Termination date: 20211103

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee