CN106898804B - 一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源化工技术领域，提供一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，底泥微生物燃料电池与外电路、底泥系统构成微生物燃料电池产电装置；底泥微生物燃料电池包括外电路支撑架、导线、阴极板、阳极板、用电器。阴极板根据水位的上升高度随时调整位置，可被利用在潮汐现象较明显或者水面位置经常变动的水体环境，为电路的闭合提供必要条件。本发明的有益效果为阴极可根据水的深度上下调节，保证阴极完全没入水中；且该装置能够利用河流中的有机质直接产生电能，实现污水直接能源化。
Description
技术领域
本发明属于能源化工技术领域，涉及到底泥有机质资源利用和微生物产电相关技术，特别涉及到一种阴极可以调节的活动极板式底泥微生物燃料电池。
背景技术
普通的微生物燃料电池由阴极和阳极组成。阳极产电微生物在厌氧条件下将介质中的有机质分解为电子和质子，电子通过外电路传递到阴极，在阴极发生还原反应，因此在外电路中实现连续的电流产生。实现了阳极区域有机质化学能到外电路电能的转化。普通的底泥微生物燃料电池是将阳极埋在底泥中，阴极置于水面，阴阳极之间产生电位差，在外接用电器两端产生电压。但是在水位经常变化的水环境中安置的以底泥为基质的微生物燃料电池在运行过程中需考虑水面水位的问题，由于水位可能会随着时间和补充水情况产生升降，当水位发生变化时，阴极板可能会露出水面，无法形成完整的电流回路，影响运行。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明针对底泥中富含有机质，水体具有一定电导率，水底泥质中富含微生物的水质，提供一种可调节活动极板底泥微生物的燃料电池，该燃料电池阴极板可活动，能够消耗底泥和水体中的有机质输出电能，在一定程度上起到净化水质的作用，可处理污水。活动的阴极板可推广到有水位变化的河流以及潮汐现象的海域，是一种实现环境效益、经济效益的有效方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，所述的底泥微生物燃料电池与外电路、底泥系统构成微生物燃料电池产电装置。底泥微生物燃料电池包括外电路支撑架、导线、阴极板、阳极板、用电器。
所述的外电路支撑架包括主支撑架和副支撑架。所述的主支撑架为PVC管，PVC管两侧沿径向方向开有对应的长条状开口，与径向垂直方向的PVC管上设有多个卡槽，卡槽分部于PVC管顶端至末端，用于放置移动木条。移动木条长度大于PVC管外径，移动木条两端分别连接一个夹子，两夹子与木条之间呈“∏”型，阴极板或阳极板固定在两个夹子之间，通过移动木条与主支撑架连接。所述的移动木条能够根据水位高低调整在卡槽中的位置，带动夹子与夹子上固定的阴极在PVC管径向方向上移动，以适应不同水位环境。所述的副支撑架为导线管A和导线管B，导线管A和导线管B粘贴在PVC管内壁中，用来隔绝外电路导线，防止导线接触造成外电路短路。所述夹子的材质为聚氯乙烯。
所述的阴极板包括碳板阴极和二氧化锰沉积的碳毡阴极，碳毡阴极位于碳板阴极一侧，两阴极并列不接触的排布在移动木条的两个夹子中间，通过移动木条与外电路主支撑架PVC管连接。移动木条根据水位的高低带动阴极板上下移动调节高度。碳毡与碳板大小、形状相同。
所述的阳极板包括碳板阳极和碳毡阳极，碳毡阳极位于碳板阳极一侧，两个阳极并列不接触的排布在移动木条的两个夹子中间；阳极板上的碳毡阳极与阴极板上的碳毡阴极通过外电路导线和用电器构成一套回路，外电路导线设置于PVC管的导线管B中，导线管B上方连接用电器形成闭合回路，可以通过外部测量设备测量负载用电器两端电压；阳极板上的碳板阳极与阴极板上的碳板阴极通过外电路导线和用电器构成另外一套回路，外电路导线设置于PVC管的导线管A中，导线管A上方连接用电器形成闭合回路，可以通过外部测量设备测量负载用电器两端电压。阳极板位于PVC管下部，完全没入含有机质的河水底泥中，保证无氧环境。碳毡与碳板大小、形状相同。用电器连接电能储存装置或者电压放大装置，将得到的电压进行放大，保证用电器正常运行。所述的外电路导线为钛丝。
所述可调节活动极板的底泥微生物燃料电池阴极碳毡的制备方法：阴极碳毡依次使用丙酮、乙醇、去离子水各清洗、烘干，利用铜做还原剂在一定浓度的酸性高锰酸钾溶液反应生成海胆型MnO2沉积的碳毡阴极。所述可调节活动极板的底泥微生物燃料电池阳极的制备方法：阳极板的碳毡和碳板均经打磨后用生活污水浸泡处理，富集微生物后完全没入河水底泥中。
本发明的有益效果为：本发明为一个带有可活动极板的电池反应器，活动的阴极可根据水的深度上下调节，保证阴极没入水中，进而可将应用推广到有潮汐现象的海域，利用河流或海域中的有机质直接产生电能，实现污泥污水直接能源化，是科学有效的资源转化技术。该装置活动的阴极可根据水的深度上下调节，保证阴极完全没入水中。该装置能够利用河流中的有机质直接产生电能，实现污水直接能源化。
附图说明
图1是活动极板底泥微生物燃料电池产电装置正视图。
图2是活动极板底泥微生物燃料电池产电装置侧视图。
图3是活动极板底泥微生物燃料电池产电装置俯视图。
图4是活动极板底泥微生物燃料电池产电装置系统日常运行输出电压图。
图中：1PVC管；2卡槽；3移动木条；4夹子；5阴极板；51碳板；52碳毡；6导线管A；7导线管B；8用电器；9导线；10阳极板。
具体实施方式
具体实施例可使本发明实现技术方案，发明创造特征，实现的目的和达到的功效清晰明了，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例：
该系统由活动极板底泥微生物燃料电池产电装置、底泥生态系统、外部电路组成。活动极板微生物燃料电池产电实际装置如图1-3所示，该装置包括外电路支撑PVC管1、导线管A6和导线管B7，阴阳极板支撑支架聚氯乙烯夹子4、生活污水浸泡过的阳极板10、MnO2沉积的阴极板5、1000Ω的用电器8。外电路主骨架支撑是直径为110mm，长1000mm的PVC管，PVC管两侧沿径向方向开有对应的长条状开口，PVC管壁与径向垂直的一侧开口22个宽10mm长35mm的卡槽2，以管中心为轴，管壁另一侧同为上述凹槽。在卡槽2中放置一个移动木条3，木条两端连接两个聚氯乙烯夹子，两夹子与木条之间呈“∏”型，阴极板或阳极板固定在两个夹子之间通过移动木条与主支撑架连接。副支撑架由2个导线管A和2个导线管B组成，其中导线管A直径10mm，长1000mm；导线管B直径10mm，长800mm。导线管A和导线管B粘贴在PVC管内壁中，用来隔绝外电路导线9，导线9为钛丝，防止钛丝接触造成外电路短路。阴极板和阳极板上的碳毡52、碳板51电极分别连接外电路导线，碳板阴极和碳板阳极连接的导线分别进入副支撑架的导线管A，在导线管A上方连接1000Ω的用电器；碳毡阴极和碳毡阳极连接的导线分别进入副支撑架的导线管B，在导线管B上方连接1000Ω的用电器形成闭合回路，并分别测量负载用电器两端电压。再连接电能储存装置或者电压放大装置，将得到的电压进行放大，使用电器正常运行。
碳板和二氧化锰沉积碳毡需经过预处理，预处理方法为：
1)将碳毡剪成与碳板大小、形状相同，长15cm，宽10cm，厚3mm；
2)用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗15min，然后60℃鼓风烘干，浓硝酸水浴加热65℃，加热6h，用去离子水清洗至pH为6，60℃烘干备用。
预处理后制作二氧化锰沉积碳毡的方法为：
1)取预处理后的碳毡，利用铜作为还原剂在一定浓度的酸性高锰酸钾溶液中生成海胆型MnO2，使用电镀铜方式原位生长MnO2，电解溶液为0.5mol/L的硫酸铜在4V直流电压下，电流约为0.93A进行电镀，正极接铜片，负极接阴极板，电极1cm，电镀时间6min，阴极板需电镀两面，完成后在去离子水中浸泡10min，60℃烘干备用。
2)将水浴加热到60℃并保持稳定，将酸性高锰酸钾溶液倒入烧杯后再放入水浴锅中，将镀铜的阴极板放入配好的酸性高锰酸钾溶液中进行MnO2沉积，时间6h。所述酸性高锰酸钾溶液配制方法：取16mL浓硫酸，6.32g高锰酸钾，用去离子水定容至300ml。
所用可调节活动极板的底泥微生物燃料电池的阳极制备方法为：
取长15cm，宽10cm，厚3mm的碳板先经打磨，增加粗糙度，提高微生物的接触面积；再经生活污水浸泡48h，将富集微生物后的碳板，打孔使用钛丝连接到主体上，完全埋入富含有机质的底泥中。
该活动极板微生物燃料电池产电装置系统的应用实例：
1)活动极板微生物燃料电池产电装置的启动
将装置的各个组成部分组装完成后，放置到大连理工大学盘锦校区校内小河中进行实验。
2)阳极板附近产电微生物的富集
将阳极板埋入到河水的底泥中，进行长时间的微生物的培养富集，使微生物在阳极板表面富集，产电菌分解底泥中有机质，经过一系列复杂的细胞作用，产生电子。
3)反应系统的运行
上述各个步骤完成之后，一个月之后阳极板附近富集足够的产电菌。进行日常数据的测量，每天下午五点，测量阴阳极板外接1000Ω小电阻两端的电压，测量的数据进行汇总得到图4运行输出电压图，且目前得到的最大数据为阴阳极两端的电压为646mv。
Claims (8)
1.一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的底泥微生物燃料电池与外电路、底泥系统构成微生物燃料电池产电装置，底泥微生物燃料电池包括外电路支撑架、导线、阴极板、阳极板、用电器；
所述的外电路支撑架包括主支撑架和副支撑架；所述的主支撑架为PVC管，PVC管两侧沿径向方向开有对应的长条状开口，与径向垂直方向的PVC管上设有多个卡槽，卡槽分布于PVC管顶端至末端，用于放置移动木条；移动木条两端分别连接一个夹子，两夹子与木条之间呈“∏”型，阴极板和阳极板固定在两个夹子之间，通过移动木条与主支撑架连接；移动木条能够根据水位高低调整在卡槽中的位置，带动夹子上固定的阴极在PVC管径向方向移动；所述的副支撑架为粘贴在PVC管内壁中的导线管A和导线管B；
所述的阴极板包括碳板阴极和二氧化锰沉积的碳毡阴极，碳毡阴极位于碳板阴极一侧，两阴极并列不接触的排布在移动木条的两个夹子中间，通过移动木条与外电路主支撑架PVC管连接；所述的阳极板包括碳板阳极和碳毡阳极，碳毡阳极位于碳板阳极一侧，两个阳极并列不接触的排布在移动木条的两个夹子中间；阳极板位于PVC管下部，完全没入含有机质的河水底泥中，保证无氧环境；
碳毡阳极与碳毡阴极通过外电路导线与用电器形成闭合回路，外电路导线设置于PVC管的导线管B中；碳板阳极与碳板阴极通过外电路导线与用电器形成闭合回路，外电路导线设置于PVC管的导线管A中。
2.根据权利要求1所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的用电器还连接电能储存装置或电压放大装置，保证用电器正常运行。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的夹子的材质为聚氯乙烯。
4.根据权利要求1或2所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极板和阳极板的碳毡、碳板大小、形状相同。
5.根据权利要求3所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极板和阳极板的碳毡、碳板大小、形状相同。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的外电路导线为钛丝。
7.根据权利要求3所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的外电路导线为钛丝。
8.根据权利要求4所述的一种可调节活动极板的底泥微生物燃料电池，其特征在于，所述的外电路导线为钛丝。
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