CN109360999A - 一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法 - Google Patents

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宋建华
严磊
许玫英
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Abstract

本发明公开了一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法。本发明在碳毡电极上连接2根以上的导线以更有效的收集或释放电极表面电荷，可以有效降低电荷传递阻力，达到提高生物电化学系统性能的效果。本发明是一种低成本、简单有效的提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法。

Description

一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法
技术领域
本发明属于生物电化学技术领域，具体涉及一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法。
背景技术
生物电化学系统(Bioelectrochemical systems)是一种利用电化学理论和方法促进生物反应器中物质、能量生产或污染物降解的装置，包括微生物燃料电池，生物电解池，生物电合成池等。微生物燃料电池可以将可生物降解的废弃物及污染物中的化学能通过微生物电子传递直接转化产生电能，生物电解池可以将电能转化为氢气，生物电合成池可以借助电化学过程促进微生物合成高附加值的化学品。目前的研究表明，生物电化学系统在废水处理、生态修复、生物能源、生物合成和环境监测等领域具有广泛的应用前景，已有越来越多的生物电化学系统相关技术在实际环境中测试和应用。
生物电化学系统的扩大化和在实际环境中的应用是目前生物电化学系统发展面临的主要的问题。如在小体积的微生物燃料电池反应器中，它的产电功率可以达到甚至超过10W/m2的功率，但随着体积及电极面积的增大，电极表面及沉积物造成的内阻也会随之增大，造成微生物燃料电池的功率密度并不会随电极面积增加而增加甚至会出现逐渐下降的趋势；这是导致大尺寸的生物电化学系统电能产生或利用效率降低的主要原因之一，从而限制了该技术的推广应用。有研究显示，当电极面积从25平方厘米增加到12平方米时，功率密度从25mW/m2下降到2mW/m2。因而，如何降低电极表面的电荷传递阻力是减少电极扩大化过程中性能损失的有效途径。
电极表面电荷传递造成的能量损失与电极材料的导电性有关，即电极导电性越强，损失越少。目前研究报道的具有较高导电性能的电极材料(如基于石墨烯或催化剂修饰的电极)往往成本较高，实际环境耐受性差，难以实用推广。在大尺寸装置和实际应用的生物电化学系统中，碳毡是最为常用的、成本低、性能较好的电极材料之一。如果可以有效的降低碳毡电极表面电荷传递的阻力，将有望大大促进扩大化生物电化学系统技术的性能，推动生物电化学系统技术的商业化进程和实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本的、简单有效的提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法。
目前所有已报道的基于碳毡电极的生物电化学系统均使用一根金属导线连接阴极和阳极。由于电荷传递阻力随着传递距离增加而增加，当电极面积比较大时，可能会造成距离导线较远的地方的电子难以传递至导线或传递过程中发生较大能量损失。本发明通过在较大电极不同位置连接导线，可以避免电荷长距离传递的现象，降低整体电极表面电荷传递能量损失。
本发明的一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法，其技术要点在于：(1)使用多孔碳毡做电极构建生物电化学系统时，使用2根以上导线与电极进行连接，以收集电极表面产生的电子或向电极释放电子(图1)；(2)上述电极包括生物电化学系统的阳极和阴极；(3)同一电极上相邻导线间的距离大于或等于20cm，导线材料可以是金属导线或其它任何具有导电性能的材料。
因此，本发明的目的是提供一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法，将生物电化学系统中碳毡电极的阴阳两极使用2根以上的导线连接。
优选，所述的导线为钛丝。
优选，同一电极上，相邻的由导线与电极构成的连接点之间的间距大于或等于20cm。
本发明涉及一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法，具有低成本、简单高效、经济环保等特点。
附图说明
图1是本发明的提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法的示意图，通过2个或2个以上导线将生物电化学系统的阴、阳极相连。
图2是阳极单导线和双导线生物电化学系统的性能对比。
图3是阴极单导线和双导线生物电化学系统的性能对比。
图4是不同导线数量、间距的生物电化学系统性能对比。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1
构建两组(每组3个重复)微生物燃料电池，均使用80cm长、3cm宽、1cm厚的碳毡制作阴阳极；其中一组在阳极一端连接一根钛丝，另一组分别在阳极两端各连接一根钛丝(共两根钛丝)；阴极均使用一根钛丝。阳极接种物为河道底泥，覆盖阳极，阴极电极液为自来水，阴阳极钛丝均连接到1000欧姆的电阻上。两组电池性能如图2所示，从产电开始，连接两根导线的三个电池平均输出电压就高于单根导线连接组，至产电进入平稳期，约1/2的时间内双导线组的产电显著高于单导线组。在第10天和第20天分别测定两组电池的极化曲线和功率曲线，显示：在第10天，双导线性能略优于单导线电池，到第20天两组电池均进入平稳产电阶段，双导线组的功率密度约是单导线组的2倍。这些结果表明：增加阳极导线数量可以有效提高生物电化学系统阳极的电荷传递效率。
实施例2
构建两组(每组3个重复)微生物燃料电池，均使用80cm长、3cm宽、1cm厚的碳毡制作阴阳极；其中一组在阴极一端连接一根钛丝，另一组分别在阴极两端各连接一根钛丝(共两根钛丝)；阳极均使用一根钛丝。阳极接种物为河道底泥，覆盖阳极，阴极电极液为自来水，阴阳极钛丝均连接到1000欧姆的电阻上。两组电池性能如图3所示，从产电开始，连接两根导线的三个电池平均输出电压就高于单根导线连接组，至产电进入平稳期，约1/3的时间内双导线组的产电显著高于单导线组。在第14天的极化曲线和功率曲线显示：双导线组的功率密度约是单导线组的2倍。这些结果表明：增加阴极极导线数量可以有效提高生物电化学系统阴极的电荷传递效率。
实施例3
构建三组(每组3个重复)微生物燃料电池，均使用60cm长、3cm宽、1cm厚的碳毡制作阴阳极；其中第一组阳极通过2根(间隔30cm)的钛丝与阴极连接；第二组阳极通过3根(间隔20cm)的钛丝与阴极连接；第三组通过4根(间隔15cm)的钛丝与阴极连接，以评估更多导线数量对产电的促进效果。阳极接种物为河道底泥，覆盖阳极，阴极电极液为自来水，阴阳极钛丝均连接到1000欧姆的电阻上。三组电池性能如图4所示，产电15天后进入平稳期，连接3根导线的三个电池平均输出电压高于2根导线连接组，连接4根导线的三个电池平均输出电压比连接3根导线的输出电压仅0.02V(图4A)。在第15天的功率曲线显示：3导线连接组的功率密度约是2导线组的1.5倍，而4导线连接组比3导线连接组的功率密度仅高出0.00001W。这些结果表明：对于60cm长的电极而言，3根导线(间隔20cm)相对于2根导线(30cm)可进一步提高产电效率，而更密集的导线(间隔15cm)并无显著提高作用，即3导线(间隔20cm)可达到最佳产电水平。

Claims (3)

1.一种提高生物电化学系统电极电荷传递效率的方法，其特征在于，将生物电化学系统中碳毡电极的阴阳两极使用2根以上的导线连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的导线为钛丝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一电极上，由导线与电极构成的连接点之间的间距大于或等于20cm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104167561A (zh) * 2014-08-19 2014-11-26 清华大学 生物阴极型微生物燃料电池
CN107746162A (zh) * 2017-09-28 2018-03-02 天津大学 一种去除河湖沉积物中抗生素的生物电化学方法

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