CN108493471A - 微生物燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

微生物燃料电池，其特征在于，该电池包括下述的原料：阳极、阴极；及与阳极所接触的微生物；微生物为铜绿假单胞菌；阳极与微生物分别位于阳极室中，阳极室呈密封状态，且阳极室中有氮气接入口；阴极室浸滑在电解质中，其供氧方式为直接曝气或通入饱和电解质，或铁氰化物。采用本发明的微生物燃料电池，使缓冲液与菌充分混合，从而可以提高产电量，适于大规模化的工业化生产，更适合于污水处理发电。

Description

微生物燃料电池及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池，还涉及上述的微生物燃料电池的制备方法。
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，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。
与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势： 首先，它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率； 其次，不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作； 第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量； 第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体； 第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。但是，经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。
与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种持续供能时间长的微生物燃料电池，还涉及上述的微生物燃料电池的制备方法。
本发明是通过下述的技术方案来实现的：
本发明的微生物燃料电池，该电池包括下述的原料：
阳极、阴极；及与阳极所接触的微生物；
微生物为铜绿假单胞菌或枯草芽孢杆菌；
阳极与微生物分别位于阳极室中，阳极室呈密封状态，且阳极室中有氮气接入口；
阴极室浸滑在电解质中，其供氧方式为直接曝气或通入饱和电解质，或铁氰化物；
氧化剂为：高锰酸钾，重铬酸钾中的一种。
工作时，向阴极通入氧化剂，阳极通入底物，底物在阳极池内被微生物催化，形成的富电子物质经介体作用，电子被转移到电极上并形成电子流；
在阴极池中，氧化剂从阴极上得到电子而被还原，通过一个已知电阻的负载测出电池的放电强度。
该电池包括：铂金电极的阳极，铂金电极的阴极，在阳极和阴极中分别有大肠杆菌悬浮液；阳极和阴极均通过铂金丝穿出橡皮塞。
该电池连续两周可提供1-1.2mA电流，该电池的最大输出功率为170mW/m2，电流密度为516 mA/m2。
阴极和阳极均采用网状玻璃碳电极，阳极孔大于阴极孔。
阳极为石墨棒电极，阴极为碳纸纤维电极，阴极室与阳极室都充满颗粒活性炭。
阴极室呈“U”形，且阴极室由两条PEM管胶黏而成，置于阳极室内。
微生物燃料电池的制备方法，包括下述的步骤：
（1）铜绿假单胞菌的驯化；
在厌氧条件下，采用天然厌氧环境中的活性污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种铜绿假单胞菌，连通外部电路，观察铜绿假单胞菌的性能变化，定期更换培养液直到铜绿假单胞菌的性能稳定；
（2）控制铜绿假单胞菌电子和质子流的代谢。
本发明的有益效果在于，采用本发明的微生物燃料电池，使缓冲液与菌充分混合，从而可以提高产电量，适于大规模化的工业化生产，更适合于污水处理发电。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。
实施例1
微生物燃料电池，该电池包括下述的原料：
阳极、阴极；及与阳极所接触的微生物；在厌氧条件下，采用污水处理厂的活性污泥接种铜绿假单胞菌，连通外部电路，观察铜绿假单胞菌的性能变化，定期更换培养液直到铜绿假单胞菌的性能稳定；
（2）控制铜绿假单胞菌电子和质子流的代谢。
阳极与微生物分别位于阳极室中，阳极室呈密封状态，且阳极室中有氮气接入口；
阴极室浸滑在电解质中，其供氧方式为直接曝气或通入饱和电解质，或铁氰化物。
工作时，向阴极通入氧化剂高锰酸钾，阳极通入底物，底物在阳极池内被微生物催化，形成的富电子物质经介体作用，电子被转移到电极上并形成电子流；
在阴极池中，氧化剂从阴极上得到电子而被还原，通过一个已知电阻的负载测出电池的放电强度。
该电池包括：铂金电极的阳极，铂金电极的阴极，在阳极和阴极中分别有铜绿假单胞菌悬浮液；阳极和阴极均通过铂金丝穿出橡皮塞。
该电池连续两周可提供1-1.2mA电流，该电池的最大输出功率为175mW/m2，电流密度为525 mA/m2。
阴极和阳极均采用网状玻璃碳电极，阳极孔大于阴极孔。
实施例2
阳极为石墨棒电极，阴极为碳纸纤维电极，阴极室与阳极室都充满颗粒活性炭。
阴极室呈“U”形，且阴极室由两条PEM管胶黏而成，置于阳极室内。
微生物燃料电池的制备方法，包括下述的步骤：
（1）或枯草芽孢杆菌的驯化；
在厌氧条件下，采用天然厌氧环境中的活性污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种或枯草芽孢杆菌，连通外部电路，观察或枯草芽孢杆菌的性能变化，定期更换培养液直到或枯草芽孢杆菌的性能稳定；
（2）控制或枯草芽孢杆菌电子和质子流的代谢。

Claims (9)

1.微生物燃料电池，其特征在于，该电池包括下述的原料：
阳极、阴极；及与阳极所接触的微生物；
微生物为铜绿假单胞菌或枯草芽孢杆菌；
阳极与微生物分别位于阳极室中，阳极室呈密封状态，且阳极室中有氮气接入口；
阴极室浸滑在电解质中，其供氧方式为直接曝气或通入饱和电解质，或铁氰化物。
2.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，氧化剂为：高锰酸钾，重铬酸钾中的一种。
3.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，工作时，向阴极通入氧化剂，阳极通入底物，底物在阳极池内被微生物催化，形成的富电子物质经介体作用，电子被转移到电极上并形成电子流；
在阴极池中，氧化剂从阴极上得到电子而被还原，通过一个已知电阻的负载测出电池的放电强度。
4.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，该电池包括：铂金电极的阳极，铂金电极的阴极，在阳极和阴极中分别有大肠杆菌悬浮液；阳极和阴极均通过铂金丝穿出橡皮塞。
5.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，该电池连续两周可提供1-1.2mA电流，该电池的最大输出功率为170mW/m2，电流密度为516 mA/m2。
6.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，阴极和阳极均采用网状玻璃碳电极，阳极孔大于阴极孔。
7.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，阳极为石墨棒电极，阴极为碳纸纤维电极，阴极室与阳极室都充满颗粒活性炭。
8.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，阴极室呈“U”形，且阴极室由两条PEM管胶黏而成，置于阳极室内。
9.如权利要求1所述的微生物燃料电池的制备方法，包括下述的步骤：
（1）铜绿假单胞菌的驯化；
在厌氧条件下，采用天然厌氧环境中的活性污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种铜绿假单胞菌，连通外部电路，观察铜绿假单胞菌的性能变化，定期更换培养液直到铜绿假单胞菌的性能稳定；
（2）控制铜绿假单胞菌电子和质子流的代谢。
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Title
赵煜: "生物燃料电池电极过程动力学研究及其在焦化废水中的应用", 《中国优秀博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *

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