CN109728333B - 一种分区式圆筒微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种分区式圆筒微生物燃料电池所述电池包括电池本体和外接电路。电池本体包括套在一起的内筒与外筒，内筒为阴极室，内筒与外筒之间的环形空间由四个沿径向的隔板分隔为四个独立的阳极室，各阳极室均分别通过质子交换膜与阴极室连通，相邻的所述阳极室之间通过阀门相互连通，流入的污水可通过所述阀门流经各所述阳极室；各所述阳极室内保持厌氧环境，分别接种有厌氧或兼性厌氧的产电微生物；本发明微生物燃料电池通过阳极室产电微生物厌氧氧化作用，协同阴极降解污水，达到利用污水产电的设计目的，所述电池可有效处理生活污水中的多种污染物，且具有体积小、成本低、污水处理效率高等特点。

Description

一种分区式圆筒微生物燃料电池

技术领域

本发明属于微生物燃料电池技术领域，特别涉及一种分区式圆筒微生物燃料电池，可利用生活污水发电。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物降解有机物并将有机质中的化学能转化为电能的电化学系统。将污水与微生物燃料电池结合起来，把原本污水中要废弃的有机物加以利用，它不仅可以分解处理废水中的有机质，而且可以产生电能为人们所利用，是一种具有广阔发展前景的能源利用技术。

当前，利用微生物燃料电池进行污水处理仍存在诸多问题，如通常只能有效处理生活污水中的一种或几种废物，如采用多个电池联合处理生活污水，把生活污水其中大部分废物处理干净所需要的电池尺寸过大，成本相应提高；且由于阳极室内接种多种菌种，往往会形成一种或几种优势菌属从而压制其他可用于污水处理微生物的生存；常用的非生物阴极的还原反应速率很慢，且需要使用贵金属Pt作催化剂来降低反应的过电位损失，大大增加了燃料电池的造价等。因此，需要研发一种可避免上述缺陷的新型微生物燃料电池。

发明内容

针对现有技术中利用微生物燃料电池进行污水处理存在的诸多问题，提供了一种分区式圆筒微生物燃料电池，可有效处理生活污水中的多种污染物，且具有体积小、成本低、污水处理效率高等特点。

本发明实施例提供的一种分区式圆筒微生物燃料电池，包括电池本体和外接电路，其中：

所述电池本体包括套在一起的内筒和外筒，所述内筒和外筒均为圆筒状容器；所述内筒为阴极室，所述阳极室内设置有一阴极；所述阴极室内保持有氧环境并接种有好氧微生物；若干沿径向的隔板将所述内筒与所述外筒之间的空间分隔为多个独立的阳极室，每个所述阳极室内设置有一阳极；各所述阳极室均分别通过质子交换膜与所述阴极室连通，相邻的所述阳极室之间通过阀门相互连通，流入的生活污水可通过所述阀门流经各所述阳极室；各所述阳极室内保持厌氧环境，分别接种有厌氧或兼性厌氧的产电微生物，生活污水依次流经各阳极室时，污水中的污染物经各阳极室内培养的相应微生物进行处理处理，阳极室产电微生物通过厌氧氧化作用，协同阴极降解污水，达到利用污水产电的目的；各所述阳极并联连接，并通过所述外接电路与所述阴极连接。

作为阴极室内阴极的优选，所述阴极为活性碳棒。

作为阳极室内阳极的优选，所述阳极为添加有一定量的铁、锰离子催化剂的碳毡；进一步优选地，所述阳极周围培养有处理铁、锰离子的微生物，可避免重金属离子泄露对室内微生物造成伤害。

作为前述微生物燃料电池技术方案的优选，所述阳极室有四个；进一步优选地，四个所述阳极室中分别接种用于处理糖类、用于处理有机酸和有机盐类、用于处理脂类和用于处理无机盐类的产电微生物。

作为各阳极室中所接种的产电微生物的优选，用于处理糖类的菌种为酵母菌、环形节杆菌等菌类中的一种菌；用于处理糖类有机酸和有机盐类的菌种为人苍白杆菌、布氏弓形菌(Arcobacter butzleri strain ED－1)、弓形菌(Arcobacter－L)、枯草芽孢杆菌、希万氏菌、地杆菌等菌类中的一种菌；用于处理脂类的菌种为甘度Ganduew-Lipa油脂分解菌、产碱杆菌等菌类中的一种菌；用于处理无机盐类的菌种为聚磷菌、硝化细菌反硝化细菌复合菌种等菌类中的一种菌。

作为外接电路的优选，所述外接电路中设置有分别测量负载电压与电流的电压表与电流表。

本发明技术方案公开的分区式圆筒微生物燃料电池，包括一个阴极室和多个阳极室；阳极室为厌氧环境，各阳极室接种不同的菌种，以处理生活污水中不同成分污染物；电化学活性细菌在阳极室内消耗生活污水中作为污染物的有机质，获得维持微生物生长所需能量并产生电子传递至阳极电极，电子从阳极电极经外接电路到达阴极，在阴极室内电子受体消耗电子完成整个电能输出过程。本发明上述技术方案具有以下有益效果：

1.采用多个阳极室配合一个阴极室的结构，在处理多种污染物的同时有效减小了微生物燃料电池的尺寸；

2.由多个相互隔离的阳极室分别接种不同种的微生物，可避免多类菌属互相压制生长，甚至造成菌属彻底消亡，能够增加微生物燃料电池对生活污水中污染物的处理范围，提高了污水处理效率；

3.采用活性碳颗粒为阴极材料，并加入好氧微生物作为催化剂，并大大缩短生物阴极微生物燃料电池的启动时间，获得更高的电压，且提高了达到稳定状态后的电压和最大功率密度，最终提高处理污水的效率，极大地提高微生物燃料电池的可应用性和可持续性；

4.采用生物阴极，无需使用Pt催化剂，降低了电池成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分区式圆筒微生物燃料电池结构示意图；

图2为图1分区式圆筒微生物燃料电池阴极室与阳极室的分隔结构示意图。

[主要元件符号说明]

1-电池本体；2-阴极室；31-第一阳极室；32-第二阳极室；33-第三阳极室；34-第四阳极室；4-隔板；5-阴极；6-阳极；7-外接电路。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

针对现有技术的问题，图1和图2所示的实施例提供了一种分区式圆筒微生物燃料电池，包括电池本体1和外接电路7，具体的：

电池本体1总体为套筒结构，如图1所示，由套在一起的共轴外筒和内筒组成，外筒和内筒均为圆筒状容器。

内筒为阴极室2，阴极室2内设置有一阴极5，阴极室内保持有氧环境并接种有好氧微生物。作为一种较佳的实施方式，阴极5为活性碳棒，由掺杂二氧化锰催化剂的活性炭颗粒制成。现有的非生物阴极微生物燃料电池还原反应速率很慢，通常使用贵金属Pt作为催化剂来降低反应的过电位损失，本发明实施例采用生物阴极来进行电子交换，以阴极室2中的好氧微生物取代Pt作为催化剂，既降低了设备成本，又可有效缩短微生物燃料电池的启动时间，使其获得更高的电压，使达到稳定状态后的电压和最大功率密度提高，最终提高生活污水处理效率，使微生物燃料电池的可应用性和可持续性获得提升。

内筒与外筒之间的环形空间由四个沿径向的隔板4分隔为四个独立的阳极室，如图1和图2所示，分别为第一阳极室31、第二阳极室32、第三阳极室33和第四阳极室34，因此本实施例中电池本体1为一个阴极室2和四个阳极室的结构。各阳极室均分别通过质子交换膜与阴极室连通。

各阳极室内保持厌氧环境，分别接种有厌氧或兼性厌氧的产电微生物，各阳极室电极附着不同的菌种，以达到每个阳极室内分别处理污水中所含不同有机物的目的。相邻的阳极室之间通过阀门相互连通，生活污水从第一阳极室31流入，按次序依次流入第二阳极室32、第三阳极室33和第四阳极室34，由每个阳极室内培养的优势微生物依次分别对污水中对应的有机污染进行处理。可采用公知的合理方式驱动生活污水依次流经各阳极室，最后排出电池，作为其中一种可行的实施方式，可通过提拉当前生活污水所在阳极室，通过重力使污水通过阀门流入相邻的下一个阳极室。

每个所述阳极室内均设置有一阳极6。作为一种较佳的实施例，各阳极室的电极材料为加入铁、锰等离子的碳毡，通常先在各阳极室面上进行碳毡材料的涂抹，同时进行铁、锰离子等催化剂的掺杂。为避免重金属离子泄露对阳极室内接种的微生物造成伤害，可在阳极6附近培养处理铁、锰离子的微生物。

各阳极6并联连接，并通过包含负载的外接电路7与阴极5连接。如图1所示，外接电路7上还可设置电压表和电流表，分别用于测量负载电压和电流。各阳极室内分别接种不同的电化学活性细菌作为产电微生物，电化学活性细菌在阳极室内消耗生活污水有机质，获得维持微生物生长所需能量并产生电子传递至阳极6，电子从阳极6经由外接电路7到达阴极5，在阴极室2内作为电子受体的氧气消耗电子完成整个电能输出过程。

生活污水通常包括糖类，无机盐，脂类化合物，有机酸盐等，如前所述，生活污水依次流经各阳极室时，污水中的有机污染物由各阳极室内培养的相应微生物进行处理。以上述实施例中具有四个阳极室的微生物电池为例，各阳极室内接种产电微生物的一种具体实施方式如下：

第一阳极室31接种酵母菌、环形节杆菌等菌类中的一种菌，用于处理糖类；

第二阳极室32接种人苍白杆菌、布氏弓形菌(Arcobacter butzleri strain ED－1)、弓形菌(Arcobacter－L)、枯草芽孢杆菌、希万氏菌、地杆菌等菌类中的一种菌，用于处理有机酸(盐)；

第三阳极室33接种甘度Ganduew Lipa油脂分解菌、产碱杆菌等菌类中的一种菌，用于处理脂类；

第四阳极室34聚磷菌、硝化细菌反硝化细菌复合菌种等菌类中的一种菌，用于处理无机盐类。

上述各阳极室接种菌种的种类可根据需要进行调整。

另外，还可同时在各阳极室微生物菌群内加入能够处理铁、锰离子的微生物，以进一步的避免了阳极中的重金属离子渗透污染微生物生存环境，更有效的减少了微生物的死亡。

各阳极室内的产电微生物通过厌氧氧化作用，协同阴极降解污水，达到利用污水产电的目的。

在本发明的描述中，指示的方位或位置关系的术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不应理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明，选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。显然，以上优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微生物燃料电池，包括电池本体和外接电路，所述电池本体包括套在一起的内筒和外筒，所述内筒和外筒均为圆筒状容器，其特征在于，所述内筒为阴极室，所述阴极室内设置有一阴极；所述阴极室内保持有氧环境并接种有好氧微生物；四块沿径向的隔板将所述内筒与所述外筒之间的空间分隔为四个独立的阳极室，每个所述阳极室内设置有一阳极；各所述阳极室均分别通过质子交换膜与所述阴极室连通，相邻的所述阳极室之间通过阀门相互连通，流入的污水通过所述阀门流经各所述阳极室；各所述阳极室内保持厌氧环境，分别接种有厌氧或兼性厌氧的产电微生物；各所述阳极并联连接，并通过所述外接电路与所述阴极连接；四个所述阳极室中分别接种用于处理糖类、用于处理有机酸和有机盐类、用于处理脂类和用于处理无机盐类的产电微生物，

所述用于处理糖类的产电微生物为酵母菌；

所述用于处理有机酸和有机盐类的产电微生物为希万氏菌或地杆菌；

所述用于处理脂类的产电微生物为甘度油脂分解菌Ganduew-Lipa或产碱杆菌；

所述用于处理无机盐类的产电微生物为聚磷菌。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极为活性碳棒。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极为添加有铁、锰离子催化剂的碳毡。

4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极周围培养有处理铁、锰离子的微生物。

5.根据权利要求1至4任一项所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述外接电路中设置有分别测量负载电压与电流的电压表与电流表。

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