CN110098415A - 一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法，沉积物微生物燃料电池用阳极材料为导电混凝土阳极，按质量份数由100‑200份硅酸盐水泥、50‑100份去离子水、200‑400份砂子、1‑8份石墨粉、0.2‑4份碳纤维和0.4‑1份分散剂组成，沉积物微生物燃料电池用阳极材料的原料采购成本低廉，仅为碳材料阳极的七十分之一，沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法工艺过程简单，制备的沉积物微生物燃料电池的启动时间显著缩短，较碳材料阳极制备的沉积物微生物燃料电池缩短了67％，使沉积物微生物燃料电池的扩大化和商业化成为可能。

Description

一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法。
背景技术：
微生物燃料电池(MFCs)是利用微生物降解有机物并释放电子的特性，使产电菌群积聚于阳极，将化学能向电能转换的一种新型产能装置；其作用机理为：阴阳极材料分别置于电池内，由质子膜阳极表面的厌氧产电菌氧化分解有机物产生电子传递到阳极，再通过外电路到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极传来的质子发生还原反应生成水。沉积物微生物燃料电池(SMFCs)是一种典型的无膜微生物燃料电池，将阳极置于有机营养物质和微生物丰富的沉积物中，在富含氧气的海水中放置阴极，沉积物与海水之间氧化还原电位引起的差异为SMFCs提供发电的驱动力。基于此，SMFCs系统可以同时实现有机物的去除和可持续发电的目的。
沉积物微生物燃料电池(SMFCs)能够为海洋或内陆水体长期监测仪器提供低功率电源：如中国专利201720166119.5公开的一种基于沉积物微生物燃料电池的沉水植物补光装置包括沉积物微生物燃料电池、电源管理系统和照明器；所述的沉积物微生物燃料电池、电源管理系统和照明器通过导线依次串联，构成闭合的补光电路；所述的沉积物微生物燃料电池包括石墨棒阳极和石墨棒阴极，所述的石墨棒阳极插于底泥中，所述的石墨棒阴极悬于上覆水中；所述的石墨棒阳极和石墨棒阴极之间通过电极连接线连通；其介绍了一种无需额外供电，环境友好型的水下补光装置，有效的改善水体透明度低、水位较深、光照强度不足等不利于沉水植物生长的问题；中国专利201010177557.4公开的海泥/海水生物燃料电池作为一种外加直流电源，设计连接海水或海泥中涂有保护涂层的金属结构物，用于海水或海泥中金属的阴极保护，减缓或抑制金属腐蚀；其提供了一种海洋金属腐蚀阴极保护用海泥/海水生物燃料电池供电系统的连接方式，利用海泥/海水生物燃料电池提供的电能，在深远海条件下，为海水或海泥中的金属结构、钢筋混凝土结构提供腐蚀保护。也能够用于沉积物原位生物修复：如中国专利201510581377.5公开的一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法，将生态浮岛与微生物燃料电池相结合，其中，生态浮岛是将浮床植物利用浮体种植于以黑臭河涌底泥或城市污泥为底质的受污染的上覆水中；其将浮床植物引入上覆水体中产生氧气，增加沉积物微生物燃料电池阴极区溶解氧浓度，从而提高对沉积物污染及上覆水污染的修复性能；中国专利201010181651.7公开的一种微生物燃料电池及其在去除自然沉积物中有机物的应用，利用微生物燃料电池去除自然沉积物中有机物的方法，沉积物中有机碳的去除率在20～30％左右，易氧化有机物去除率在25～35％左右。可以说，SMFCs在原位产电为低功率用电器长期供电以及污水处理领域拥有独一无二的天然优势。
虽然沉积物微生物燃料电池(SMFCs)在原位产电和污水处理等多个领域拥有广阔的应用前景，但现有技术中的沉积物微生物燃料电池的启动时间往往需要一周甚至更久，传统的碳材料电极成本高昂，使得SMFCs停留在实验室阶段，无法实现扩大化并商业化的目的。因此，研发设计一种在降低成本的前提下，实现缩短沉积物微生物燃料电池启动时间的阳极材料，具有经济和社会价值。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法，缩短微生物燃料电池的启动时间，降低成本，实现SMFCs的扩大化和商业化。
为了实现上述目的，本发明涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料为导电混凝土阳极，按质量份数由100-200份硅酸盐水泥、50-100份去离子水、200-400份砂子、1-8份石墨粉、0.2-4份碳纤维和0.4-1份分散剂组成。
本发明涉及的石墨粉的目数为100-150；碳纤维是单丝长度为0.5-10mm的短切碳纤维；分散剂为改性纤维素基表面活性剂。
本发明涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法的工艺过程为：
(1)将100质量份普通硅酸盐水泥与1-4质量份石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将0.2-2质量份碳纤维置于2-20质量份去离子水中，再加入0.4-1质量份分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照1:2-4:0.5的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极。
本发明涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将阴极(碳板、碳毡、碳纸或碳纤维刷)置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池。
本发明与现有技术相比，沉积物微生物燃料电池用阳极材料的原料采购成本低廉，仅为碳材料阳极的七十分之一，沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法工艺过程简单，制备的沉积物微生物燃料电池的启动时间显著缩短，较碳材料阳极制备的沉积物微生物燃料电池缩短了67％，使沉积物微生物燃料电池的扩大化和商业化成为可能。
附图说明：
图1为本发明涉及的导电混凝土阳极的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的四电极体系测量导电混凝土阳极电阻率的示意图。
图3为本发明涉及的采用导电混凝土阳极与碳板阳极制备的沉积物燃料电池的开路电压随时间变化的曲线对比图。
图4为本发明涉及的采用导电混凝土阳极制备的沉积物燃料电池的极化曲线图。
图5为本发明涉及的采用导电混凝土阳极制备的沉积物燃料电池的功率密度曲线图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法的工艺过程为：
(1)将100质量份普通硅酸盐水泥与1质量份石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将0.2质量份碳纤维置于2质量份去离子水中，再加入0.4质量份分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照1:2:0.5的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极，如图1所示。
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将碳板作为阴极置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池；同时以碳板阳极制备沉积物微生物燃料电池作为对照样品。
本实施例采用四电极体系测量导电混凝土阳极电阻率，如图2所示；采用数据采集系统采集沉积物微生物燃料电池的开路电压，绘制如图3所示的导电混凝土阳极与碳板阳极制备的沉积物燃料电池的开路电压随时间变化的曲线对比图，导电混凝土阳极制备的沉积物微生物燃料电池与碳材料阳极制备的沉积物微生物燃料电池相比，启动时间缩短了67％，开路电压增加了1.2倍；采用恒阻值放电法测量并绘制沉积物微生物燃料电池的极化曲线：调节沉积物微生物燃料电池的外电阻并使其在该阻值下稳定后，记录电压和电流的值，绘制出电压-电流(或电流密度)曲线，即如图4所示的极化曲线图，导电混凝土阳极制备的沉积物微生物燃料电池的电流密度达到了50mA/m2；采用恒阻放电技术得到沉积物微生物燃料电池的电流与电压值以及电极的面积，绘制出如图5所示的功率密度曲线，导电混凝土阳极制备的沉积物微生物燃料电池的功率密度达到了24mW/m2。
实施例2：
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法的工艺过程为：
(1)将100质量份普通硅酸盐水泥与2质量份石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将0.6质量份碳纤维置于6质量份去离子水中，再加入0.6质量份分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照1:2.5:0.5的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极。
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将碳毡作为阴极置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池。
实施例3：
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法的工艺过程为：
(1)将100质量份普通硅酸盐水泥与3质量份石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将0.8质量份碳纤维置于8质量份去离子水中，再加入0.8质量份分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照1:3:0.5的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极。
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将碳纸作为阴极置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池。
实施例4：
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法的工艺过程为：
(1)将100质量份普通硅酸盐水泥与4质量份石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将2质量份碳纤维置于20质量份去离子水中，再加入1质量份分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照1:4:0.5的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极。
本实施例涉及的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将碳纤维刷作为阴极置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池。

Claims (6)

1.一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料及其制备方法，其特征在于为导电混凝土阳极，由硅酸盐水泥、去离子水、砂子、石墨粉、碳纤维和分散剂组成。
2.根据权利要求1所述的沉积物微生物燃料电池用阳极材料，其特征在于硅酸盐水泥、去离子水、砂子、石墨粉、碳纤维和分散剂的质量份数分别为100-200份、50-100份、200-400份、1-8份、0.2-4份和0.4-1份。
3.根据权利要求1或2所述的沉积物微生物燃料电池用阳极材料，其特征在于石墨粉的目数为100-150；碳纤维是单丝长度为0.5-10mm的短切碳纤维；分散剂为改性纤维素基表面活性剂。
4.根据权利要求1或2所述的沉积物微生物燃料电池用阳极材料，其特征在于制备沉积物微生物燃料电池的过程为：将导电混凝土阳极埋置于沉积物中，将阴极置于含氧的上覆水中，阴阳极之间通过外导线和负载电阻相连接，得到沉积物微生物燃料电池；阴极为碳板、碳毡、碳纸或碳纤维刷。
5.一种沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法，其特征在于工艺过程为：
(1)将普通硅酸盐水泥与石墨粉混合均匀，得到石墨粉水泥；
(2)将碳纤维置于去离子水中，再加入分散剂，用机械搅拌仪分散均匀，得到碳纤维溶液；
(3)将石墨粉水泥、砂子、去离子水按照设定的质量比混合制备成混凝土，将碳纤维溶液缓慢加入混凝土中，边加入边搅拌，直至碳纤维溶液在混凝土中分散均匀，得到导电混凝土；
(4)将导电混凝土置于模具中固化成型；
(5)在导电混凝土上钻出导线孔，在导线孔中加入导电环氧树脂，将导线裸露的部分插入导电环氧树脂中，使导线不与导电混凝土接触，并用万用表测试导线与导电混凝土之间是否接触，导电环氧树脂固化后，得到导电混凝土阳极。
6.根据权利要求5所述的沉积物微生物燃料电池用阳极材料制备方法，其特征在于步骤(1)的普通硅酸盐水泥为100质量份，石墨粉为1-4质量份；步骤(2)的碳纤维为0.2-2质量份，去离子水为2-20质量份，分散剂为0.4-1质量份；步骤(3)的石墨粉水泥、砂子、去离子水的质量比为1:2-4:0.5。
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