CN110534749B - 水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法 - Google Patents

水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法，在有效降低成本的情况下，仍能够保持高的污水处理性能。本发明提供的微生物燃料电池，包括阳极和反应室，其特征在于，还包括：空气阴极，不含PTFE扩散层，采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层，水平设置在反应室的顶部；和外电路，接通阳极和空气阴极，其中，反应室的内侧壁上设有交联型水凝胶材料形成的涂层，该涂层由下至上延伸至与阴极凝胶层相接触。

Description

水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法。
技术背景
随着环境污染和能源短缺的日益严重，微生物燃料电池被认为是未来处理污水和能源再生的重要技术之一。但对于实际应用来说，减少微生物燃料电池中使用阴极材料的成本以及选择一种快速简便的阴极制备方法是必不可少的。
相对于金属催化剂阴极来说，最理想的代替品是具有很高表面积的碳材料，如石墨颗粒和活性炭。活性炭是一种廉价的，多孔性材料，将其应用于空气阴极中作为催化剂表现出较高的催化活性及稳定的电化学性能。同时，电池反应器的扩大化应用以及污水处理的可行性实施在很大程度上取决于阴极的制备、性能及成本。但目前空气阴极上一般要附着PTFE扩散层，扩散层的采用大大提高了制作空气阴极的成本，进而提高了整个微生物燃料电池的成本，不利于微生物燃料电池的推广应用。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法，在有效降低成本的情况下，还能够保持高的污水处理性能。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<微生物燃料电池>
本发明提供一种微生物燃料电池，包括阳极和反应室，其特征在于，还包括：空气阴极，水平设置在反应室的顶部，不含PTFE扩散层，采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层；和外电路，接通阳极和空气阴极，其中，反应室的内侧壁上设有交联型水凝胶材料形成的涂层，该涂层由下至上延伸至与阴极凝胶层相接触。
优选地，本发明提供的微生物燃料电池，还可以具有以下特征：在空气阴极中，阴极凝胶层的担量范围为3mg/cm2～15mg/cm2。
优选地，本发明提供的微生物燃料电池，还可以具有以下特征：交联型水凝胶材料为：氧化魔芋葡甘露聚糖/壳聚糖季铵盐、羟丙基壳聚糖/聚乙二醇、羟丙基壳聚糖/氧化海藻酸钠中的任意一种。
优选地，本发明提供的微生物燃料电池，还可以具有以下特征：反应室的涂层的浓度为阴极凝胶层浓度的2倍以上。
<空气阴极>
进一步，本发明还提供一种水平式水凝胶改性空气阴极，其特征在于：不含PTFE扩散层，而是采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层。
优选地，本发明提供的水平式水凝胶改性空气阴极，还可以具有以下特征：交联型水凝胶材料为：氧化魔芋葡甘露聚糖/壳聚糖季铵盐、羟丙基壳聚糖/聚乙二醇、羟丙基壳聚糖/氧化海藻酸钠中的任意一种。
<制备方法>
更进一步，本发明还提供一种水平式水凝胶改性空气阴极的制备方法，其特征在于：将交联型水凝胶材料涂抹至不含PTFE扩散层的空气阴极上。
发明的作用与效果
本发明采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层得到空气阴极，摒弃了本领域普遍采用但价格昂贵的PTFE扩散层，大大降低了制作空气阴极的成本，成本降低30％以上，并且在性能方面与传统空气阴极(采用PTFE扩散层)组成的MFC性能相当，成本低性能好非常适合推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例涉及的微生物燃料电池的实物图；
图2为本发明实施例涉及的微生物燃料电池的结构示意图。
图3为本发明实施例涉及的微生物燃料电池7d内电压变化情况图；
图4为本发明实施例涉及的微生物燃料电池的极化曲线与功率密度曲线图；
图5为本发明实施例涉及的微生物燃料电池的COD随时间变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法的具体实施方案进行详细地说明。在实施例中未详细阐述的部分均属于现有技术。
<实施例>
如图1和2所示，本实施例所提供的微生物燃料电池10包括阳极11、反应室12、空气阴极13以及外电路14。
本实施例中，阳极11采用高度3cm、半径1.5cm的碳刷，并且碳刷阳极11与空气阴极13距离为1cm。另外阳极11还可以采用碳毡等其它常见材料。
反应室12中用于盛装待处理液(例如废水)，它的内侧壁上设有交联型水凝胶材料涂层12a，该涂层12a由下至上延伸至与空气阴极13相接触，形成将待处理液中的离子导向空气阴极13的离子通道。
空气阴极13水平设置在反应室12的顶部，它不含PTFE扩散层，而是采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层13b。在本实施例中，空气阴极13包括集电体13a和涂抹在集电体13a下表面上的水凝胶层13b；并且，水凝胶层13b的厚度约为0.1mm。
另外，在本实施例中，涂层12a和阴极水凝胶层13b均为氧化魔芋葡聚糖/壳聚糖季铵盐交联型水凝胶材料。
外电路14用于接通阳极11和空气阴极13，本实施例中外电路14接有1000Ω电阻14a。
以上是本实施例所提供的微生物燃料电池10的具体结构，下面介绍空气阴极13的制备方法。
本实施例中，空气阴极13的制备方法为：称取20g活性炭(AC)于烧杯中，加入47mL无水乙醇，搅拌均匀后加入5.7mL聚四氟乙烯溶液(活性炭与聚四氟乙烯乳液按照质量比7:3的比例混合)，搅拌成柔软的团状后辊压成1cm厚度的薄片，放置在空气中自然干燥30min后，再在80℃下烘干2h。将烘干后的活性炭薄片裁切成直径为6.5cm的圆片，然后将相同直径的不锈钢网、活性炭薄片叠放在一起，在约17MPa压力下压制5min制成集电体13a并存放；最后，在集电体13a的任意一侧涂抹水凝胶层13b，使用时，将涂抹有水凝胶层13b的一侧朝向液面。
进一步，在本实施例中，阴极水凝胶层13b和涂层12a的制备方法为：分别称取0.638g壳聚糖季铵盐(HACC)溶于不同体积(10mL、2.5mL)去离子水的小烧杯内，分别称取0.383g氧化魔芋葡聚糖(OKGM)溶于不同体积(6mL、1.5mL)去离子水的小烧杯内，两个小烧杯内溶液依次混合，得到不同浓度交联型水凝胶材料，浓度(质量分数)分别为6％与20％。将浓度为6％的交联型水凝胶材料涂抹到表面积为7cm2不含PTFE扩散层的空气阴极13上形成阴极水凝胶层13b，将浓度为20％的交联型水凝胶材料涂抹到反应室12内壁上形成涂层12a。
测试情况：
1、将本实施例提供的微生物燃料电池10以空气阴极13与地面平行的方式放置，用移液枪往已盛满含有1g/L醋酸钠模拟污水的MFC中吸出1mL溶液，人为造成液面下降，讨论电压随时间变化；
2、将本实施例提供的微生物燃料电池10以空气阴极13与地面平行的方式放置，往其中先加入事先准备好的产电菌菌液，然后加入含有1g/L醋酸钠的模拟污水进行培养，每天定时更换模拟废水，研究其处理性能。
如图3所示，在液面损耗1mL状态下，微生物燃料电池10可稳定运行不断路。在模拟污水充满反应器的情况下，在第一个换水周期，微生物燃料电池10刚刚启动，电压虽输出较低，但呈现不断上升的趋势，在32h时电压达到0.3972V，之后电压开始下降，在48h时，更换模拟废水后，电压不断升高，在65h时达到最大电压0.6197V，并趋于稳定，说明产电菌已在阳极11富集，此时认为空气阴极13水平放置单室微生物燃料电池10成功启动。之后进入产电性能评价阶段，在产电性能评价阶段，输出电压不断上升，输出电压最大值为0.6196V，并趋于稳定，在0.61V波动幅度较小，最大输出电流为0.6196mA，在几个循环过程中，电池内部有一定的水分蒸发，水分蒸发导致液面下降，液面与空气阴极13表面脱离，由于水凝胶的存在，电池仍稳定运行，无断路情况发生。
如图4所示，微生物燃料电池10的开路电压(OCV)为721.0mV，由所做的极化曲线得出拟合曲线方程y＝-0.0805x+0.7001，得到的阻抗为0.1105Ω·m2，进一步计算得到电阻为158Ω，取得最大功率密度1.27±0.05W/m2。
如图5所示，采用空气阴极13的微生物燃料电池10降解率为86.4％。
成本比较：
传统空气阴极13制作成本为206.3￥/m2，本实施例提供的水凝胶改性空气阴极13的制作成本仅为130.4￥/m2，水凝胶改性空气阴极13成本对比传统空气阴极13降低了36.8％，大大降低了制作空气阴极13的成本。
由上可知，本实施例所提供的空气阴极13和微生物燃料电池10的不仅成本大大降低，而且展现了良好的产电性能和污染物去除效果，对微生物燃料电池的实用化与工程化具有重要意义。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的水平式水凝胶改性空气阴极、微生物燃料电池以及制法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (2)

1.一种微生物燃料电池，包括阳极和反应室，其特征在于，还包括：
空气阴极，水平设置在所述反应室的顶部，不含PTFE扩散层，采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层；和
外电路，接通所述阳极和所述空气阴极，
其中，所述反应室的内侧壁上设有交联型水凝胶材料形成的涂层，该涂层由下至上延伸至与所述阴极凝胶层相接触,
在所述空气阴极中，所述阴极凝胶层的担量范围为3mg/cm2～15mg/cm2,
所述交联型水凝胶材料为：氧化魔芋葡甘露聚糖/壳聚糖季铵盐、羟丙基壳聚糖/聚乙二醇、羟丙基壳聚糖/氧化海藻酸钠中的任意一种。
2.权利要求1所述的微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：
将空气阴极水平设置在反应室的顶部，所述空气阴极不含PTFE扩散层，采用交联型水凝胶材料作为阴极凝胶层，并且，在所述空气阴极中，所述阴极凝胶层的担量范围为3mg/cm2～15mg/cm2；
在所述反应室的内侧壁上设置交联型水凝胶材料形成的涂层，并使得该涂层由下至上延伸至与所述阴极凝胶层相接触；
采用外电路接通所述阳极和所述空气阴极；
其中，所述交联型水凝胶材料为：氧化魔芋葡甘露聚糖/壳聚糖季铵盐、羟丙基壳聚糖/聚乙二醇、羟丙基壳聚糖/氧化海藻酸钠中的任意一种。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106876761A (zh) * 2017-04-28 2017-06-20 江西师范大学 一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池
CN107394266A (zh) * 2017-08-01 2017-11-24 长沙迅洋新材料科技有限公司 镁空气电池用水凝胶电解质及其制备方法和镁空气电池
WO2019039009A1 (ja) * 2017-08-24 2019-02-28 積水化成品工業株式会社 ハイドロゲル、その用途及びその製造方法
CN109494431A (zh) * 2018-11-12 2019-03-19 西安鸿钧睿泽新材料科技有限公司 一种可弯曲的柔性铝空气电池
CN109713319A (zh) * 2018-12-27 2019-05-03 哈尔滨工业大学 碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用
WO2019125052A1 (ko) * 2017-12-21 2019-06-27 한양대학교 에리카산학협력단 에어로겔 복합물 및 그의 제조 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106876761A (zh) * 2017-04-28 2017-06-20 江西师范大学 一种自供给水凝胶电解质微生物燃料电池
CN107394266A (zh) * 2017-08-01 2017-11-24 长沙迅洋新材料科技有限公司 镁空气电池用水凝胶电解质及其制备方法和镁空气电池
WO2019039009A1 (ja) * 2017-08-24 2019-02-28 積水化成品工業株式会社 ハイドロゲル、その用途及びその製造方法
WO2019125052A1 (ko) * 2017-12-21 2019-06-27 한양대학교 에리카산학협력단 에어로겔 복합물 및 그의 제조 방법
CN109494431A (zh) * 2018-11-12 2019-03-19 西安鸿钧睿泽新材料科技有限公司 一种可弯曲的柔性铝空气电池
CN109713319A (zh) * 2018-12-27 2019-05-03 哈尔滨工业大学 碳气凝胶作为阴极吸水层在微型直接甲醇燃料电池膜电极中的应用

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