CN107359365A - 一种水动力微生物燃料电池脱盐装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水动力微生物燃料电池脱盐装置，该装置包括第一管状体、第二管状体，所述第一管状体直径大于所述第二管状体直径；所述第一管状体以及所述第二管状体同心设置于底板上部，并与所述底板固定相连；碳毡阴极。本申请提供的装置能够以无纺布替代离子交换膜，加速质子在燃料电池中的运动，减少能量的潜在损失，具有制作成本低，可减少底物添加等优点。还能保持覆盖在阳极的生物膜的PH值，使微生物活动顺利持续进行。同时，圆柱形的装置结构受力均匀，结实耐用，相对于传统的方形结构更为便于在田间使用。
Description
技术领域
本发明涉及生物电池技术领域，特别是涉及一种适用于稻田以无纺布替代离子交换膜的水动力微生物燃料电池脱盐装置。
背景技术
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。微生物燃料电池主要用于生活及工业污水的处理净化，现有技术中国的微生物燃料电池其主要材料是阳离子交换膜，而阳离子交换膜主要依赖进口美国杜邦的产品，成本高昂。尤其当现有技术中的微生物燃料电池应用于农田排水的处理时，价格高昂的离子交换膜成为极大的限制条件，同时由于现有技术中的微生物燃料电池的质子从阳极至阴极的转移速率低，不利于微生物燃料电池在农田排水处理中的使用。
因此，提供一种成本低廉、质子传输速率高的微生物燃料电池装置是迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种水动力微生物燃料电池脱盐装置。
本发明提供了如下方案：
一种水动力微生物燃料电池脱盐装置，包括：
第一管状体、第二管状体，所述第一管状体直径大于所述第二管状体直径；所述第一管状体以及所述第二管状体同心设置于底板上部，并与所述底板固定相连；
碳毡阴极， 所述碳毡阴极包括相连的第一碳毡，所述第一碳毡包裹于所述第二管体外侧，所述第一碳毡与所述第二管体外侧接触面设置有催化剂层，所述第一碳毡外部包裹有无纺布；
阳极室，所述阳极室为所述第一管状体内侧与所述无纺布外侧形成的空间，所述阳极室内设置有阳极，所述阳极为均匀布满于所述阳极室内的第二碳毡；
外部电路，所述外部电路用于连接所述碳毡阴极以及所述阳极以便形成电流回路；
其中，所述第一管状体以及所述第二管状体各自管壁上均开设有多个通孔，所述底板上与所述第二管状体对应处开设有排水孔。
优选地：所述第一管状体内侧与所述第二管状体外侧形成的空间间隙为2-5厘米。
优选地：所述催化剂层为采用喷涂工艺喷涂于所述第一碳毡与所述第二管体外侧接触面上的含氟磺酸树脂和铂的纳米颗粒混合物。
优选地：采用喷涂工艺喷涂后对所述催化剂层进行预热处理。
优选地：所述第一管状体以及所述第二管状体均为采用有机玻璃制作而成的有机玻璃管。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过本发明，可以实现一种水动力微生物燃料电池脱盐装置，在一种实现方式下，该装置包括第一管状体、第二管状体，所述第一管状体直径大于所述第二管状体直径；所述第一管状体以及所述第二管状体同心设置于底板上部，并与所述底板固定相连；碳毡阴极， 所述碳毡阴极包括相连的第一碳毡，所述第一碳毡包裹于所述第二管体外侧，所述第一碳毡与所述第二管体外侧接触面设置有催化剂层，所述第一碳毡外部包裹有无纺布；阳极室，所述阳极室为所述第一管状体内侧与所述无纺布外侧形成的空间，所述阳极室内设置有阳极，所述阳极为均匀布满于所述阳极室内的第二碳毡；外部电路，所述外部电路用于连接所述碳毡阴极以及所述阳极以便形成电流回路；其中，所述第一管状体以及所述第二管状体各自管壁上均开设有多个通孔，所述底板上与所述第二管状体对应处开设有排水孔。本申请提供的装置能够以无纺布替代离子交换膜，加速质子在燃料电池中的运动，减少能量的潜在损失，具有制作成本低，可减少底物添加等优点。还能保持覆盖在阳极的生物膜的PH值，使微生物活动顺利持续进行。同时，圆柱形的装置结构受力均匀，结实耐用，相对于传统的方形结构更为便于在田间使用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种水动力微生物燃料电池脱盐装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种水动力微生物燃料电池脱盐装置的另一结构示意图。
图中：第一管状体1、第二管状体2、底板3、碳毡阴极4、第一碳毡401、第二碳毡402、无纺布5、阳极6、外部电路7、通孔8、排水孔9、水稻或其他湿地植物10。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中的微生物生物电池的阳极和阴极都在水中，而研究发现溶解氧的扩散速度比气态氧慢了1000倍，当阳极和阴极不是离的很近，由于微生物的消耗，阴极产生的溶解氧可能不能到达阳极。这样一来阳离子交换膜将不是必需的，省略掉阳离子交换膜不但能降低成本还能减小质子到达阴极的阻力。研究表明去除MFC中的离子交换膜将会使输出功率增加十倍。基于上述研究，本申请实施例提供了一种无需阳离子交换膜可用于稻田或其他湿地的水动力微生物燃料电池脱盐装置。
实施例
参见图1、图2，为本发明实施例提供的一种水动力微生物燃料电池脱盐装置，如图1、图2所示，该装置包括第一管状体1、第二管状体2，所述第一管状体1直径大于所述第二管状体直径2；所述第一管状体1以及所述第二管状体2同心设置于底板3上部，并与所述底板3固定相连；
碳毡阴极4， 所述碳毡阴极包括相连的第一碳毡401，所述第一碳毡401包裹于所述第二管体2外侧，所述第一碳毡401与所述第二管体2外侧接触面设置有催化剂层，所述第一碳毡401外部包裹有无纺布5；
阳极室，所述阳极室为所述第一管状体1内侧与所述无纺布5外侧形成的空间，所述阳极室内设置有阳极6，所述阳极6为均匀布满于所述阳极室内的第二碳毡402；
外部电路7，所述外部电路7用于连接所述碳毡阴极4以及所述阳极6以便形成电流回路；
其中，所述第一管状体1以及所述第二管状体2各自管壁上均开设有多个通孔8，所述底板3上与所述第二管状体2对应处开设有排水孔9。
进一步的，所述第一管状体1内侧与所述第二管状体2外侧形成的空间间隙为2-5厘米。所述催化剂层为采用喷涂工艺喷涂于所述第一碳毡401与所述第二管体2外侧接触面上的含氟磺酸树脂和铂的纳米颗粒混合物。采用喷涂工艺喷涂后对所述催化剂层进行预热处理。所述第一管状体1以及所述第二管状体2均为采用有机玻璃制作而成的有机玻璃管。
该装置在制作时，可以将直接使用买来的碳毡作为阴极，通过喷涂含氟磺酸树脂和铂的纳米颗粒混合物于碳毡的一个面上形成催化剂层，随后预热处理。之后将催化剂层对着第二管状体表面，将碳毡包裹在第二管状体上，底部防水但是钻有一个用于控制排水速率的的排水孔。在包裹碳毡之前，第二管状体表面要预先均匀开一些容许水流通过的小孔，在碳毡之外包裹一层无纺布。之后将塑料管放置在第一管状体中，两个管状体中间的间隙将包裹接种后的碳毡作为阳极。接种源自从污水处理厂取来的淤泥。为了防止氧气由土壤表面扩散至阳极，在具体使用时，碳毡将从电池底部包裹至地面下3cm，到土壤表面的3cm将由粘土填装，以封闭阳极和土壤之间的水力联系。
众所周知燃料电池的性能不但取决于阳极微生物的呼吸作用，而且取决于质子从阳极到阴极的运动和微生物的底料供应。如图2所示，本装置通过控制装置内部水流从阳极到阴极再通过排水孔流至排水沟这一过程，来利用水的运动促进质子从阳极到阴极的转移，同时还能防止氧化剂接触阳极，装置的输出功率会得倒提高。更进一步，来自农田的排水中溶解有一些养分，这些养分随水流流经阳极，能够持续的给阳极的微生物带去底物，使装置能够顺利运行。
本申请提供的装置能够以无纺布替代离子交换膜，加速质子在燃料电池中的运动，减少能量的潜在损失，具有制作成本低，可减少底物添加等优点。还能保持覆盖在阳极的生物膜的PH值，使微生物活动顺利持续进行。同时，圆柱形的装置结构受力均匀，结实耐用，相对于传统的方形结构更为便于在田间使用。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种水动力微生物燃料电池脱盐装置，其特征在于，包括：
第一管状体、第二管状体，所述第一管状体直径大于所述第二管状体直径；所述第一管状体以及所述第二管状体同心设置于底板上部，并与所述底板固定相连；
碳毡阴极， 所述碳毡阴极包括相连的第一碳毡，所述第一碳毡包裹于所述第二管体外侧，所述第一碳毡与所述第二管体外侧接触面设置有催化剂层，所述第一碳毡外部包裹有无纺布；
阳极室，所述阳极室为所述第一管状体内侧与所述无纺布外侧形成的空间，所述阳极室内设置有阳极，所述阳极为均匀布满于所述阳极室内的第二碳毡；
外部电路，所述外部电路用于连接所述碳毡阴极以及所述阳极以便形成电流回路；
其中，所述第一管状体以及所述第二管状体各自管壁上均开设有多个通孔，所述底板上与所述第二管状体对应处开设有排水孔。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一管状体内侧与所述第二管状体外侧形成的空间间隙为2-5厘米。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂层为采用喷涂工艺喷涂于所述第一碳毡与所述第二管体外侧接触面上的含氟磺酸树脂和铂的纳米颗粒混合物。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，采用喷涂工艺喷涂后对所述催化剂层进行预热处理。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一管状体以及所述第二管状体均为采用有机玻璃制作而成的有机玻璃管。
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