CN110257832A - 一种生物电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物电化学装置，包括阳极、阴极以及位于阳极、阴极之间的质子交换传递介质，阳极与阴极通过外电路连接，阳极富集有产电微生物，用于降解沉积物中的有机质并为阴极提供电子，阴极为金属管道，质子交换传递介质包覆在金属管道的外表面，阳极产生的质子通过质子交换传递介质传递至阴极，阳极产生的电子通过外电路传递至阴极。本发明构建基于生物电化学系统的阴极保护系统，用于金属管道防腐、保护，同时完成沉积物的原位生态修复。

Description

一种生物电化学装置

技术领域

本发明涉及管道防腐、能源、环境化学领域，具体涉及一种生物电化学装置，主要是基于生物电化学原理的管道防腐系统的构建，用于沉积物中电能回收、沉积物原位生态修复、沉积物中金属管道的防腐等。

背景技术

埋在水下沉积物中的金属管道很容易被腐蚀。由于环境受限，不能采用外加强制电流进行防腐保护。通常采用牺牲金属阳极的办法，对金属管道阴极进行防腐保护。但该传统防腐保护方法需消耗大量金属锌、镁或者其合金材料，因此防腐成本高，并且，产生的金属离子对生态环境存在威胁。

发明内容

鉴于以上所述现有管道防腐技术的缺点，本发明的目的在于提供一种生物电化学装置，用于解决现有技术中金属管道等材料的防腐需要消耗金属锌、镁或者其合金等材料，造成防腐成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种生物电化学装置，包括阳极、阴极以及位于所述阳极、阴极之间的质子交换传递介质，所述阳极与所述阴极通过外电路连接，所述阳极富集有产电微生物，用于降解有机质并为所述阴极提供电子，所述阴极为有潜在腐蚀倾向的金属管道，所述质子传递介质包覆在所述金属管道的外表面，所述阳极产生的质子通过所述质子传递介质传递至所述阴极，所述阳极产生的电子通过外电路传递至所述阴极。

沉积物是指沉积在阳极表面的物质，整个生物电化学装置是埋于土壤中，其外表面会产生沉积物，该沉积物中含有土著产电微生物。

可选地，所述阳极富集的产电微生物为沉积物中的土著产电微生物，主要为Geobacter、Pseudomonas等。

可选地，所述阳极包覆在所述质子传递介质的外表面。

可选地，所述阳极选自碳毡，该材料可以从市场上购买得到，当然，不限于碳毡，也可选择类似的导电性能好、比表面积大、廉价易得的材料。

可选地，所述质子传递介质选自质子交换膜，该质子交换膜可以从市场上购买得到。

可选地，所述阳极的外表面设有导线，所述导线将所述阳极、阴极连接，形成所述外电路，所述导线上设有电阻。

可选地，所述外电路的电阻为3-10Ω，具体可以为3Ω、4Ω、5Ω、6Ω、7Ω、8Ω、9Ω、10Ω等，根据实际情况，外电路的电阻接近系统的内阻值。

可选地，所述导线通过电缆分别与所述阳极、阴极连接。

可选地，所述导线缠绕在所述阳极外周，降低电子传递阻力，高效收集电子。

可选地，所述导线选自不锈钢丝或其他耐腐蚀的金属导线，如钛丝等，优选为不锈钢丝，其成本较低。其端头与电缆焊接，再通过电缆将阳极连接到电阻一端。

可选地，所述不锈钢丝网的规格为10cm×8cm(L×W)，网孔数为50目，设置间距为50cm一组。

如上所述，本发明的生物电化学装置，具有以下有益效果：本发明构建基于生物电化学系统的阴极保护系统，通过阳极电活性微生物降解沉积物中的有机质，并释放电子，可进行沉积物的原位生态修复，还可以回收电能，用作管道的防腐。

附图说明

图1显示为本发明实施例中基于生物电化学系统的生物阳极阴极保护系统示意图。

图2显示为本发明实施例中基于生物电化学系统的生物阳极阴极保护系统纵截面示意图。

图3显示为本发明实施例中基于生物电化学系统的生物阳极阴极保护系统横截面示意图。

标号说明

1—管道

2—质子交换膜

3—碳毡

4—导线

5—电阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

生物电化学系统(bioelectrochemical system，BES)具有同步实现能源回收、资源回收、污水处理等多重功能，是一项应用前景广阔的新技术。BES主要由阳极、阴极和质子交换膜三部分构成。在阳极，产电微生物以阳极为电子受体，降解有机质，维持生长代谢。在该过程中，释放的质子和电子，被传递至阴极，并在阴极完成还原反应。阳极、阴极电势差即为电池路端电压，或输出电压，完成电能回收及污染物降解。

本发明提供一种基于生物电化学系统(bioelectrochemical system，BES)的生物阳极管道阴极保护系统。在该生物电化学装置中，由生物阳极向管道阴极提供电子，作为阴极的管道不参与反应，从而得到保护。

该系统利用BES的产电原理，即产电微生物富集在阳极，以阳极为电子受体，氧化沉积物中的有机质，释放电子和质子(H⁺)。其中，电子从阳极经由外电路被传递至阴极，质子透过质子交换膜被传递至阴极，二者在阴极上发生氧还原反应。阳极、阴极反应方程式如(1)和(2)所示。

在一实施例中，该系统主要由三部分构成：金属管道(阴极)、质子交换膜和碳毡(阳极)，质子交换膜的产品规格具体可以为Ultrex CMI7000等。

在一实施例中，碳毡与质子交换膜采用热压工艺，制作成二合一的膜电极模块，可降低BES内阻，且方便施工。

在一实施例中，碳毡与质子交换膜根据管道尺寸(DN25，L＝100cm)确定，故均取尺寸L×W＝100cm×8cm。

在一实施例中，质子交换传递介质由质子交换膜构成，质子交换膜为阳极产生的质子提供传输途径，具体地，质子交换膜包裹在金属管道外周，为阳极上产生的H⁺提供传输途径，使H⁺能传递到阴极上参加氧化还原反应，同时也具有隔开阴极与阳极的作用。

在一实施例中，阳极由包裹在最外层的碳毡构成，碳毡导电率高，比表面积大，且价格低廉，是理想的阳极材料。经一段时间驯化后，阳极上可富集大量产电微生物，形成产电生物膜，降解有机质，持续为阴极提供电子，实现阴极保护。

在一实施例中，生物阳极和管道阴极由导线连接，形成完整的回路，电路负载外阻。也即是说，该生物电化学装置的阳极与阴极通过电缆连接到外阻两端，形成闭合电路。

在一实施例中，用电缆连接电路，焊接至管道时，焊点处及时补涂与管道相同的防腐涂料，其防腐等级与管道的防腐等级相同。

在一实施例中，用不锈钢网缠绕在碳毡阳极外周，降低电子传递阻力，高效收集电子。不锈钢网的端头连接电缆，最终与管道阴极连接。

在一实施例中，不锈钢丝网的规格为10cm×8cm(L×W)，网孔数为50目，设置间距为50cm一组，当然，根据管道规格的不同，不锈钢丝网的规格也可以进行相应的调整。

本发明构建基于生物电化学系统的阴极保护系统，通过阳极、阴极生物电化学反应，完成阴极保护。既可实现受污沉积物的原位生态修复，还可用于回收电能及金属管道防腐保护。不需要消耗金属阳极，可降低管道防腐成本，且可持续性强，是一种思路新颖、生态友好的管道防腐措施。埋于河流底部沉积物中的金属管道用作生物电化学装置的阴极，不断接受阳极传来的电子，进而被保护。

下面结合附图对本发明提出的生物电化学装置进一步详细描述。

本发明的工作原理为：该生物电化学装置的阳极上富集的产电微生物氧化沉积物中的有机质，产生电子和质子(H⁺)。其中，质子通过质子交换膜传递至阴极，电子经由外电路被传递至阴极，二者在阴极上发生氧化还原反应。在该生物电化学装置中，由生物阳极向管道阴极提供电子，实现金属管道阴极的防腐保护。

在一实施例中，本发明提出的基于生物电化学理论的生物阳极阴极保护系统主要包括阴极、质子交换膜、阳极三部分，构建示意图如图1所示。其中阴极由埋于沉积物中的需要进行防腐保护的金属管道构成，金属管道的材料规格为DN25钢管，长度为100cm。

质子交换膜为阳极单元产生的质子提供选择性传输通道。使质子能传递到阴极单元参加氧化还原反应，同时也起到隔开阴极与阳极的作用。

阳极为导电率高、比表面积大且廉价易得的碳毡材料(厚度0.5cm)，经一段时间驯化后，阳极上可富集大量产电微生物，该装置埋于沉积物中，一段时间后，微生物可生长在阳极上，形成一层产电生物膜。不需要购买，也不需要特别的制备，微生物可自动生长在阳极上。

金属管道的管径为DN25，质子交换膜与碳毡的宽度为管道的外径，取8cm，长度与金属管道长度一致。质子交换膜与碳毡进行采用传统的热压工艺，将质子交换膜与碳毡的一面加热至熔融状态，然后相向热压，制作成二合一的膜电极单元，减小内阻，便于施工。

阳极与阴极连接外阻，形成闭合电路。当电缆焊接在管道时，焊点处及时补涂与管道相同的防腐涂料，其防腐等级与管道的防腐等级相同。

用不锈钢网缠绕在碳毡阳极外周，降低电子传递阻力，高效收集电子。不锈钢丝的端头与电缆焊接，再通过电缆将阳极连接到电阻一端。

不锈钢丝网的规格为10cm×8cm(L×W)，网孔数为50目，设置间距为50cm一组。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

以下实施例采用的生物电化学装置如图2和图3所示，管道1为阴极，质子交换膜2的产品规格为Ultrex CMI7000，碳毡3为阳极，管道1与碳毡3之间通过导线4连接，形成外电路，导线4为不锈钢丝，导线4上设有电阻5，电阻5为定值电阻。

实施例1

由于外阻是影响系统性能的一个重要因素，使用不同的外部电阻会改变阳极电位，这相当于阳极接受电子的能力的变化，进而影响阳极生物膜的结构和形态特征。故选定最优的外阻值对该系统性能有着至关重要的作用。相关研究已证实，当外阻阻值与生物电化学系统内阻相当的情况下，可以产生更高的电流强度，这有助于提高系统的性能。

用外用表测量该系统的内阻，并选用相近的定值电阻作为外载电阻。测量结果显示，系统内阻在3-5Ω，为了得到更高的电流强度，本实施例采用3Ω的外载电阻。

实施例2

根据实施例1所得结果，完成基于生物电化学系统的阴极保护系统后，采集沉积物，搅拌均匀后测量其中单位体积的有机物含量。随后将该系统埋于沉积物中。使用自动数据采集系统对系统的电压、阴极电位等重要参数进行实时记录(每分钟自动记录一次)。分析阴极保护的效果与稳定性。实验结果显示，系统的电压在0.3V-0.5V范围内变化，阴极电势在0.22V-0.24V范围内变化。

实施例3

本发明基于生物电化学系统的阴极保护系统，相较于传统牺牲金属阳极的阴极保护法的一大优势在于，以传统的镁条阳极为例，金属阳极会在保护过程中逐渐消耗殆尽，同时带状镁条的消耗会增加沉积物中的Mg²⁺含量，进而使上覆水的硬度增大，影响水环境生态稳定。而基于生物电化学系统的阴极保护系统，通过生物阳极降解沉积物中的有机物，提供电子，实现阴极保护。在自然环境中，上覆水中的有机物会补充到沉积物中。这使得基于生物电化学系统的阴极保护系统更环保，具有更优的持久性。

本发明以沉积物中的有机物为电子供体，向被保护阴极提供电子，实现阴极防腐保护。沉积物中的有机物量大，且可持续补充。因此，该生物电化学装置的防腐保护具有成本低、生态友好、可持续性强等优势。

有鉴于此，根据实施例2，实验组在运行60天后，测定基于生物电化学系统的阴极保护系统实验组中管道附近沉积物的减少量。结果显示，基于生物电化学系统的阴极保护系统在运行一个月后，阳极附近沉积物中的有机物减少了25％。同时参照实施例2的产电参数，若要用传统的锌带或镁带缠绕金属管道进行防腐，并达到同等效果，计算锌或镁的消耗量。在理想状态下(取国家标准中金属阳极理论电容量：锌为820A·h/Kg，镁为2210A·h/Kg)，经计算，对于DN25的管道，每50cm长的管道防腐，需消耗0.21g锌，或消耗0.08g镁。

本发明通过实施例2，说明基于生物电化学系统的生物阳极阴极保护系统的闭路电压在0.3V以上，经欧姆定律计算可得，该系统提供的电流也在0.1mA以上，阴极电位保持在0.2V左右，并且以上三个重要参数在运行时都比较稳定，这将为实际应用提供良好的稳定性。

本发明通过实施例3，说明基于生物电化学系统的生物阳极阴极保护系统既具有管道防腐的功能，又能对沉积物进行原位生态修复。同时，对比传统牺牲金属阳极(Zn)的方法，该新型保护系统不会消耗金属材料，也不会因释放金属离子而对水环境造成污染

综上，结合实施例1-3可以看出，本发明所提出的的基于生物电化学系统的阴极保护系统。构建的方式为将碳毡与质子交换膜采用热压工艺，制作成二合一的膜电极模块，同时以管道为阴极，碳毡为阳极，两极之间连接适宜的外阻，从而构成封闭的回路。该系统的核心内容是构建基于生物电化学系统的阴极保护系统，在阳极电活性微生物降解沉积物中的有机质过程中，释放电子，传递至阴极，实现防腐保护。这样，既可进行沉积物的原位生态修复，还可以回收电能用作管道的防腐。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种生物电化学装置，其特征在于，包括阳极、阴极以及位于所述阳极、阴极之间的质子交换传递介质，所述阳极与所述阴极通过外电路连接，所述阳极富集有产电微生物，用于降解沉积物中的有机质并为所述阴极提供电子，所述阴极为金属管道，所述质子交换传递介质包覆在所述金属管道的外表面，所述阳极产生的质子通过所述质子交换传递介质传递至所述阴极，所述阳极产生的电子通过所述外电路传递至所述阴极。

2.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述阳极富集的产电微生物为沉积物中的土著产电微生物。

3.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述阳极包覆在所述质子交换传递介质的外表面。

4.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述阳极为碳毡。

5.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述质子交换传递介质选自质子交换膜。

6.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述外电路的电阻为3-10Ω。

7.根据权利要求1所述的生物电化学装置，其特征在于：所述阳极的外表面设有导线，所述导线将所述阳极、阴极连接，形成所述外电路，所述导线上设有电阻。

8.根据权利要求7所述的生物电化学装置，其特征在于：所述导线缠绕在所述阳极外周。

9.根据权利要求7所述的生物电化学装置，其特征在于：所述导线选自耐腐蚀的金属导线。

10.根据权利要求9所述的生物电化学装置，其特征在于：所述金属导线选自不锈钢丝、钛丝中的任一种。