CN110323478A - 一种一体式多级微生物燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式多级微生物燃料电池组，由多个相同的方体电池单体串联而成，每个电池单体包含阳极室和阴极室，所述阳极室与所述阴极室沿所述电池单体的对角线分隔，所述阳极室与所述阴极室之间设置质子交换隔膜；相邻两个电池单体的阳极室和阴极室介质连续输送，且彼此之间设置质子交换隔膜。本发明专利突破常规微生物燃料电池结构设计，创新式将多级MFC阳极室、阴极室相互嵌套互融，阳极室和阴极室间距显著降低，系统内阻实现最大化的减少。相邻单级MFC间彼此形成质子的双向互通传递，质子在阳极室和阴极室之间的传输通道截面大大拓展，质子传递效率可显著提升。

Description

一种一体式多级微生物燃料电池组

技术领域

本发明属于废水资源化利用及新能源开发技术领域，涉及一种一体式多级微生物燃料电池组。

背景技术

近年来，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)得到了国内外研究学者的广泛关注，实验室规模研究成果层出不穷。废水中含有丰富的有机物，在水处理工程中作为目标污染物进行有目的去除。然而，废水中含有的大量有机物完全可以作为MFC的生物质原料供给产电微生物，产电微生物通过新陈代谢作用将化学能转化为电能，并能通过外电路进行输出，从而实现废水处理和电能生产的双收益。

微生物燃料电池根据能斯特方程进行测算，好氧生物阴极型微生物燃料电池产生的电压通常低于0.8V。然而由于微生物燃料电池内阻及材料等关键影响因素，通常产生的开路电压(OCV)均显著降低，输出电压值仅为理论值的一半左右。将微生物燃料电池通过有效耦合，构建微生物燃料电池组可有效提高系统输出电压。

目前一体式多级微生物燃料电池组尚无报导，没有研究者将此新型电池组工艺应用废水处理。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，将MFC电池组设计为多级串联，每个单极的阴极室与阳极室对角线分隔，解决了传统微生物燃料电池自产电能不高，废水处理不彻底等技术难题。

发明具体内容如下：

一种一体式多级微生物燃料电池组(MFCU)，由多个相同的方体电池单体串联而成，每个电池单体包含阳极室和阴极室，所述阳极室与所述阴极室沿所述电池单体的对角线分隔，所述阳极室与所述阴极室之间设置质子交换通道，所述质子交换通道为质子交换隔膜；相邻两个电池单体的阳极室和阴极室相连，且彼此之间设置质子交换通道，所述质子交换通道为质子交换隔膜。

方体电池单体的底面优选为正方体。

进一步，所述质子交换隔膜为阳离子交换膜。

质子交换通道口两侧由不锈钢板框或法兰盘进行丝扣密封；质子交换通道口内嵌阳离子交换膜，实现阳极室向阴极室单方面的质子传递；阳离子交换膜同时阻隔阴极室中溶解氧及阴离子向阳极室的扩散，维持阴极室的好氧状态及阳极室的厌氧状态。

进一步，所述阳极室的电极为不锈钢螺旋丝，多个电池单体的阳极室的电极相互连接，耦合组成电池组阳极。不锈钢螺旋丝外露室外与钛丝相连，直引数据采集系统。

进一步，阳极室内填充石墨颗粒和活性炭导电颗粒，填充率为100％。石墨与活性炭的混合填料作为生物阳极，同时作为产电微生物挂膜填料，维持室内高生物活性；填料顶部由多孔网进行密封压实，防止填料随处理介质外流。需要注意的是，只要是疏松多孔的导电材料均可用于填充阳极室。

进一步，所述阴极室的电极为导电基底催化膜，多个电池单体的阴极室的电极相互连接，耦合组成电池组阴极。阴极室的电极由钛丝外引与数据收集系统相连；单体阴极室兼做电膜生物反应器，导电基底膜压制成平板膜组件，膜组件出口与真空压力表相连，实时监测膜组件跨膜压差；膜组件出水流量由负压抽吸泵进行调节。

进一步，所述电池单体中的阳极室的电极与阴极室的电极之间设置外电阻。

进一步，所述阴极室里设有溶解氧补充曝气装置。所述曝气装置可以是曝气石(条/头/管)，外连曝气泵，气体流速通过曝气泵进行调节。

进一步，电池单体的阳极室和阴极室之间通过隔板分隔，即单级室隔板；所述隔板顶部开设若干个三角形槽孔；所述阳极室的顶部压盖密封，并设置排气孔与排气阀；所述阴极室顶部开口，外侧壁上部设置溢流口；阴极室内接种好氧活性污泥，阴极室下部开设排空口。

隔板与阳极室等高，其顶部液面处设置若干个三角孔槽，形成三角堰溢流出口，阳极出水经多孔溢流堰实现自然溶氧，提高水体溶解氧浓度水平。阴极室外侧壁上部的溢流口连接溢流管，溢流出水回流原水箱，防止阴极膜处理效率不足时水位过高，同时将溢流水引回原水箱，形成污水闭路循环处理。阴极室底部的排空口可兼做排泥口及微生物采样口；阴极室内配置在线溶解氧(DO)及pH监测探头，实时监控DO及pH值变化。

进一步，阳极室底部设有分水器，进水方式为自下而上推流。分水器可与外置进水L形弯管相连，进水L形弯管高度高于阳极室。这种进水方式可防止氧气进入，有效维持阳极室的厌氧环境。阳极室进水流量由流量计进行控制调节。

进一步，阳极室外侧壁下部设置排空口，排空口上连接排空管并设置排空阀，排空口同时作为阳极室微生物样品采样口。

进一步，阳极室上部插入参比电极，参比电极与数据收集系统相连。

本发明还提供一种微生物燃料电池组结构，由两个以上所述一体式多级微生物燃料电池组彼此并联组成。本发明的电池组有多种组合方式，可以串联也可以并联，结构紧凑，适应水处理工程出水需要。

本发明的有益效果如下：

本发明专利突破常规微生物燃料电池结构设计，创新式将多级MFC阳极室、阴极室相互嵌套互融，阳极室和阴极室间距显著降低，阴极膜与质子交换膜间距大幅减少，系统内阻实现最大化的减少。单级MFC之间彼此形成质子的双向互通传递，质子在阳极室和阴极室之间的传输通道截面大大拓展，质子传递效率可显著提升，电极反应界面电化学反应速率实现有效提升，提高了电子在两室间的传递效率。一体式多级微生物燃料电池组结构自成一体，彼此关联，自能生产相互促进。

废水经一体式MFCU多级连续处理，实现了污染物多级MFC连续处理，有机物生物降解效率高，氨氮、总磷等难降解污染物通过厌氧和好氧过程的交替处理，同步实现脱除效率的提升。

本发明设计的MFCU可实现单元拓展，根据原水污染负荷和出水要求进行增减单级MFC反应模块；在实际运行中不仅可以实现串联运行，还可实现并联运行，运行方式可实现便捷切换；同时可根据废水处理功能需要，实现模块化增加反应级数，有效增减运行反应流程。MFCU模块化的多级结构设计突出特点是实现了室间距的显著降低，质子传递通道显著缩短，电极表面电化学反应速率可显著加快。

电池组紧凑的结构设计，功能部件全部采用廉价材料，操作简便，工程应用性强；一体式多级微生物燃料电池组可实现废水的连续高效处理，根据系统负荷和出水水质增减反应模块，抗污染负荷能力较强，废水处理成本低，可实现连续经济运行。

附图说明

图1是一体式多级微生物燃料电池组系统装置框架图；

图2是质子通道结构示意图；

图3是实施方式中一体式多级微生物燃料电池组电能输出图；

图4是实施方式中一体式多级微生物燃料电池组COD(化学需氧量)处理性能图；

图1、2中：1、阳极室；2、阴极室；3、单级室隔板；4、级间隔板；5、质子交换通道；

图3中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示电压，单位V；三角形、正方形、圆形分别代表电池电压、阳极电势、阴极电势；

图4中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示进水浓度和去除效率，单位mg/L和％；方块、圆点分别表示COD进水浓度、去除效率。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

电池组反应级数以三级为例，应用中可根据工程需要灵活增减MFC反应模块。

如图1、图2所示，长方体一体式多级微生物燃料电池组结构尺寸为60cm×20cm×50cm(长*宽*高)，单级MFC占容为20cm×20cm×50cm(长*宽*高)，电池组共设三级MFC，即三个单体电池；单级MFC内对角板进行分隔，两室分别作为单级阳极室和阴极室，双室等容，各自占容10L；电池组底部设置底盘，底盘采用托盘式结构，便于运输和拆卸，地脚高度8cm。

单级阳极室：单级阳极室底面为等腰直角三角形，直角边长20cm，室高度为50cm，直角边外侧板用遮光纸进行避光；阳极室室中心设置分水器，分水主管圆管直径为φ15cm，分水支管圆管直径为φ10cm，分水支管出水孔径为φ2cm；分水器设置管托固定室底部，主管采用外牙丝扣与底部相连，分水主管外牙外露底部4cm，L型弯管从底部外引至室顶部，外露顶部4cm，弯管与室壁采用黏合焊接固定；阳极室进水流量采用转子流量计进行控制，电池组进水形式为底部推流式；阳极室外侧壁下部设置排空口，排空口连接排空管，排空管直径为φ15cm，外接排空阀，排空管同时作为阳极室微生物采样口；阳极室中心处从室顶插入不锈钢螺旋丝，材质为316L，丝直径为φ2cm，螺旋半径为R 5cm，不锈钢螺旋丝作为MFC阳极，阳极丝室顶外露与钛丝相连，引入数据采集系统；阳极室内填充活性炭与石墨导电颗粒，粒径为3-5mm，混合体积比为2:1，填充率为100％，混合填料作为MFC生物阳极，同时作为产电微生物挂膜填料；为防止石墨及活性炭的外流，填料层顶部用多孔网进行压实密封，多孔网目数为8目；阳极室填料顶部下插232甘汞参比电极，电极线与数据收集系统相连；三级MFC阳极室的阳极互连，耦合组成电池组阳极；阳极室顶部压盖密封，预置排气孔及排气阀，排气孔直径为Φ3mm；单极电池内阳极室与阴极室用单级室隔板分隔，隔板顶部液面处预置多个三角形槽孔，凹槽孔为等边三角形，边长为4mm，三角凹槽间距1cm，阳极室设计为三角堰流出水，阳极出水经堰流后实现自然溶氧。

单级阴极室：单级阴极室底面为等腰直角三角形，直角边长20cm，总室高度为50cm，介质液面控制有效高度为30cm；单级阴极室与双阳极室相邻；阴极室室中心设置曝气器，曝气器直径为10cm，外设曝气增氧泵，曝气量由气体流量计进行控制；阴极室内碳纤维基导电催化膜组件充当单级MFC阴极电极，同时用作电膜生物反应器过滤单元；膜组件外连钛丝并与数据采集系统相连，单极MFC内阳极与膜阴极间增设外电阻；多级MFC导电膜阴极彼此相连，组成电池组阴极；膜组件由负压泵抽吸出水，真空压力表实时监测跨膜压差，出水流量计控制出水量；阴极室内接种好氧活性污泥，污泥浓度为4g/L；阴极室下部增设排空口兼做污泥排放口，同时亦做阴极室微生物采样口；阴极室外侧壁上部增设溢流口，溢流口连接溢流管，溢流管管径为Φ12(mm)，溢流管直引原水箱；阴极室内预设溶解氧(DO)及pH值在线监测探头，实时监测DO及pH值变化。

质子交换通道：单级MFC阳极室与阴极室之间隔板均设置质子交换通道，单级MFC阳极室与阴极室之间的单级室隔板预置质子交换通道尺寸为22cm×28cm(长*高)；级间隔板预置质子交换通道尺寸为14cm×28cm(长*高)；质子交换通道由阳离子交换膜充当室间分隔物，阳离子交换膜通过法兰盘进行丝扣压紧；

电池组性能检验：阳极室接种产电微生物；系统运行初期电池组进水流速2L/h,连续运行10天，阳极电势稳定后，进水流速调节至4L/h；连续运行15天后，测试电池组性能。性能测试结果如图3、图4所示，说明本系统能够稳定生物产电和废水高效处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，由多个形状相同的方体电池单体串联而成，每个电池单体包含阳极室和阴极室，所述阳极室与所述阴极室沿所述电池单体的对角线分隔，所述阳极室与所述阴极室之间设置质子交换隔膜；相邻两个电池单体的阳极室和阴极室实现介质连续输送，且彼此之间设置质子交换隔膜。

2.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述质子交换隔膜为阳离子交换膜。

3.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述阳极室的电极为不锈钢螺旋丝，多个电池单体的阳极室的电极相互连接，耦合组成电池组阳极。

4.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，阳极室内填充石墨颗粒和活性炭导电颗粒。

5.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述阴极室的电极为导电基底催化膜，多个电池单体的阴极室的电极相互连接，耦合组成电池组阴极。

6.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述电池单体中的阳极室的电极与阴极室的电极之间设置外电阻。

7.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述阴极室里设有溶解氧补充曝气装置。

8.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，电池单体的阳极室和阴极室之间通过隔板分隔，所述隔板顶部开设若干个三角形槽孔；所述阳极室的顶部压盖密封，并设置排气孔与排气阀；所述阴极室顶部开口，外侧壁上部设置溢流口；阴极室内接种好氧活性污泥，阴极室下部开设排空口。

9.根据权利要求1所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，所述阳极室底部设有分水器，进水方式为自下而上推流。

10.一种微生物燃料电池组结构，包括如权利要求1-9任一项所述的一体式多级微生物燃料电池组，其特征在于，由两个以上所述一体式多级微生物燃料电池组彼此串联或并联组成。