CN110635159B - 一种微生物燃料电池、应用及管道气体监测装置 - Google Patents

一种微生物燃料电池、应用及管道气体监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池，包括阳极室和与阳极室连接的阴极室，所述的阴极室四周为挡板，底部为离子交换膜，所述的阳极室和阴极室内分别布置有阳极和阴极，所述的阳极和阴极的一端通过外部电路连接，所述的阳极外侧包覆有生物膜，所述的离子交换膜与浮球连接，所述的浮球置于导轨内，所述的导轨竖直固定在阳极室中。本发明的本发明的微生物燃料电池，利用电池阳极室内的厌氧微生物将存储在废水有机物中的化学能直接转化为电能，将储能设备连接于微生物燃料电池外部电路收集电能，节约电能。

Description

一种微生物燃料电池、应用及管道气体监测装置
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及管道环境处理，具体涉及一种微生物燃料电池、应用及管道气体监测装置。
背景技术
由于化石燃料的枯竭以及工业快速发展导致大量废水的生成，迫切需要采用环境友好和可持续的替代能源技术。微生物燃料电池(MFC)由于其产电能力和废水净化而被认为是废水处理中的一种有前途的技术。通常，MFC分别具有阳极室和阴极室，并且安装阳离子交换膜(CEM)以分离两个室。在微生物燃料电池中将废水被注入阳极，微生物群落保留在阳极室中。微生物利用有机基质作为燃料产生电子和质子，进一步转移到末端电子受体，然后转移到外膜蛋白质，电子通过微生物从外膜进一步转移到阳极，并通过外部电路到达阴极，产生电流。外部电路有助于将产生的质子扩散到阴极，在那里它与电子和氧结合形成水。
目前对微生物燃料电池的研究主要侧重于产电能力的研究，且所研究的MFC多为使用载铂等修饰电极材料作阴极电极间歇进料小型反应器，即便是连续流微生物燃料电池其废水处理效率也较低，且受制于电极材料价格及反应器不利于放大而无法应用到实际废水处理工程中。
发明内容
针对上述现有技术不足与缺陷，本发明的目的在于，提供一种微生物燃料电池、应用及管道气体监测装置，以解决现有技术中的微生物燃料电池电压不稳定，废水处理效率较低的技术问题。
为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种微生物燃料电池，包括阳极室和与阳极室连接的阴极室，所述的阴极室四周为挡板，底部为离子交换膜，所述的阳极室和阴极室内分别布置有阳极和阴极，所述的阳极和阴极的一端通过外部电路连接，所述的阳极外侧包覆有生物膜，所述的离子交换膜与浮球连接，所述的浮球置于导轨内，所述的导轨竖直固定在阳极室中。
所述的阳极室和阴极室内分别布置有阳极和阴极，所述的阳极和阴极水平布置，所述的阳极和阴极在同一平面内。所述的生物膜为厌氧微生物群落形成。
所述的阳极室和阴极室一侧连接有密封箱，所述的外部电路布置在密封箱内，所述的密封箱内还布置有储能电池，所述的储能电池与外部电路连接。
所述的密封箱底部连接有支撑柱。
所述的微生物燃料电池在排水系统中的应用。
一种管道气体监测装置，包括气体检测仪，其特征在于，还包括所述的微生物燃料电池，所述的气体检测仪与微生物燃料电池中的储能电池连接。
微生物燃料电池在排水系统中的应用。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明的微生物燃料电池采用了浮动的阴极室，不论经过阳极室的污水大小，均可以形成燃料电池，产生电能，避免由于管道内水流波动而无法构造微生物燃料电池。
(Ⅱ)本发明的本发明的微生物燃料电池，利用电池阳极室内的厌氧微生物将存储在废水有机物中的化学能直接转化为电能，将储能设备连接于微生物燃料电池外部电路收集电能，节约电能。
(Ⅲ)本发明的管道气体监测装置，利用了本发明微生物燃料电池，监测管道内危害气体，不用额外的电力供应，节约能源。
附图说明
图1是本发明的主视图，图中箭头表示水流方向。
图2是本发明的右视图；
图3是本发明的俯视图。
图中各个标号的含义为：1-阳极室，2-阴极室，3-挡板，4-离子交换膜，5-阳极，6-阴极，7-外部电路，8-浮球，9-导轨，10-密封箱，11-储能电池，12-支撑柱，13-气体检测仪，14-检查井，15-入水口，16-出水口。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
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。
本发明的设备针对于在排水系统内使用微生物燃料电池，在当下应用的微生物燃料电池中多为间歇进料小型反应器，即便是连续流微生物燃料电池也未应用到实际废水处理工程中。本设备通过在检查井内构造微生物燃料电池的阴极室及阳极室，形成闭回电路，在阳极室内微生物利用有机基质燃料产生电子和质子，电子通过外部电路到达阴极，产生电流，由于检查井内有大量污水经过，将其产生的电流储存，提高了污水的利用率，同时在检查井内安装气体检测仪，由储能电池向气体检测仪供电，实时监测检查井内有害性气体，并在气体浓度超标时发出报警信号。
实施例1：
一种微生物燃料电池，包括阳极室1和与阳极室1连接的阴极室2，所述的阴极室2四周为挡板3，底部为离子交换膜4，所述的阳极室1和阴极室2内分别布置有阳极5和阴极6，所述的阳极5和阴极6的一端通过外部电路7连接，所述的阳极5外侧包覆有生物膜，所述的离子交换膜4与浮球8连接，所述的浮球8置于导轨9内，所述的导轨9竖直固定在阳极室1中。
本实施例中在离子交换膜的四角设置四个浮球，相对应的设置四个导轨。
离子交换膜4与其上固定的阴极室2可以通过浮球在导轨中上下滑动，使得离子交换膜4与阳极液直接接触，避免由于管道内水流波动而无法构造微生物燃料电池；本实施例中使用污水作为阳极液，自来水作为阴极液。
本实施例的离子交换膜采用Nafion117全氟磺酸离子交换膜。
在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，质子通过离子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。离子交换膜只允许质子通过，不允许污水进入阴极室。
本实施例的导轨由普通铁碳填料高温烘烧后经压模一体成型。
所述的阳极5和阴极6水平布置，所述的阳极5和阴极6在同一平面内，所述的生物膜为厌氧微生物群落形成。阳极7和阴极8均采用石墨电极。
所述的阳极室1和阴极室2一侧连接有密封箱10，所述的外部电路7布置在密封箱10内，所述的密封箱10内还布置有储能电池11，所述的储能电池11与外部电路7连接。
密封箱内布置有外部电路及储能电池，密封箱能起到保护内部的外部电路及储能电池的作用。外部电路起到连接阴极和阳极的作用，当有机物在微生物作用下分解并释放出电子，电子通过外部电路传递到阴极形成电流，同时储能电池与外部电路连接，可以储存电能。
挡板及密封箱的材料采用强化树脂板，利用再生循环资源提取精华强化玻纤树脂，具有尺寸稳定性好、强度高、环保、和防水等特点，挡板之间安装轴承固定，挡板及浮球与离子交换膜用环保强力防水胶ae-5776s紧密粘合。
所述的密封箱10底部连接有支撑柱12。阳极室及支撑柱由防腐材料组成。本实施例的工作过程为：
先将固定于浮球内的离子交换膜置于四个导轨内，离子交换膜上固定四面挡板做阴极室，将合适体积的自来水接入阴极室内作为阴极电解液，将阴极、阳极、外部电路、储能电池连接，阳极阴极均采用石墨电极。污水进入微生物膜的方式包裹在阳极外，由于污水不断流动经过极，长时间后在电极表面产生了一层能够适应并处理废水的微生物膜，即生物挂膜。
因微生物燃料电池的阳极底物及接种菌源的不同而直接影响微生物的类别和性能，例如用小麦秸秆水解产物作为MFC燃料时，阳极生物膜中占主要的是Bacteroidetes菌纲微生物(40％)，其次是Alphaproteobacteria(20％)、Bacili(20％)、Deltaproteobacteria(10％)和Gammaproteobacteria(10％)，而悬浮细菌中占主要的是Bacteroidetes菌纲(44.4％)，其次为Alphaproteobacteria(22.2％)、Bacilli(22.2％)、Betaproteobacteria(11.2％)，一些优势的菌属主要有泥细菌，希瓦氏菌，红螺菌等其他产电微生物。
离子交换膜与其上固定的阴极室随水压力浮球上下滑动，从而构成微生物燃料电池，产生的电能由外电路的储能电池收集。
实施例2：
一种管道气体监测装置，包括气体检测仪13，还包括所述的微生物燃料电池，所述的气体检测仪13与微生物燃料电池中的储能电池10连接。用于监测管道内危害气体，在危险性气体超出正常指标后及时报警。
管道气体监测装置在使用时，放入检查井14中，气体检测仪13固定在井壁上，支撑柱12把密封箱9固定在检查井14中，导轨6固定在检查井14中，污水通过入水口15从管道气体监测装置一侧进入，从另一侧经出水口16流出。
本实施例的原理如下：
1：污水进入检查井，从入水口进入，接触阳极电极，离子交换膜随水压力浮于水表面，形成阳极室，阳极电极外包覆的生物膜在阳极室中利用有污水中的有机基质作为燃料产生电子和质子，进一步转移到末端电子受体，然后转移到外膜蛋白质，电子通过厌氧微生物从外膜进一步转移到阳极。
2：在阴极室内注入自来水用作阴极电解液，阴极室四面有挡板，顶部敞口使得氧气更好的进入阴极电解液，电子通过外部电路到达阴极，产生电流，质子扩散到阴极，在阴极与电子和氧结合形成水。
3：在外部电路中连接储能电池，将微生物燃料电池产生的电能储存，向固定在检查井顶部的气体检测仪供电，构成管道气体监测装置，气体检测仪实时检测气体浓度，在有害气体超标时发出报警信号。
性能模拟实验：
使用实施例1中的微生物燃料电池进行性模拟测试，前期准备工作包括：将校园生活污水加入到电池中进行挂膜，每两天更换一次溶液。离子交换膜使用之前需要依次在30％H2O2、去离子水、0.5mol/LH2SO4及去离子水中各煮沸1h，然后保存在去离子水中备用。高纯石墨电极，尺寸为150mm*5mm，使用前用1mol/L HCl浸泡去除杂质离子，使用后用1mol/L NaOH浸泡以除去其表面吸附的细菌。
在电极表面形成致密的生物膜后，将废水由蠕动泵以连续流或者间歇流的方式进入阳极室，阴极以氧气作为电子受体，自来水作为阴极液，两极间用导线连接，并接入负载电阻，外电阻为1000Ω。电压用数显万用表测定，实际上电压测定的是微生物燃料电池外电路电阻两端的电势差，间接反应电池能量输出效果。
实验结果如表1所示：
表1间歇及连续模式电压
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
间歇进水/V 0.510 0.414 0.445 0.442 0.405 0.317 0.651 0.445 0.447 0.436
连续进水/V 0.486 0.487 0.467 0.544 0.472 0.488 0.497 0.483 0.458 0.496
由实验结果可知，无论在间歇模式下或是连续进水模式下，由于导轨和浮球的存在，微生物燃料电池设备均可稳定的产生电压。
并且在连续进水模式下对其进行水质测定，可得COD浓度由208.72mg/L降低到167.07mg/L，TP浓度由6.05mg/L降低到5.76mg/L,即可说明设备在产生电压的同时还可减少水中的COD浓度及TP浓度，降低管道负荷。

Claims (5)

1.一种微生物燃料电池，包括阳极室(1)和与阳极室(1)连接的阴极室(2)，所述的阴极室(2)四周为挡板(3)，底部为离子交换膜(4)，所述的阳极室(1)和阴极室(2)内分别布置有阳极(5)和阴极(6)，所述的阳极(5)和阴极(6)的一端通过外部电路(7)连接，所述的阳极(5)外侧包覆有生物膜，其特征在于，所述的离子交换膜(4)与浮球(8)连接，所述的浮球(8)置于导轨(9)内，所述的导轨(9)竖直固定在阳极室(1)中；
所述的阳极(5)和阴极(6)水平布置，所述的阳极(5)和阴极(6)在同一平面内，所述的生物膜为厌氧微生物群落形成。
2.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极室(1)和阴极室(2)一侧连接有密封箱(10)，所述的外部电路(7)布置在密封箱(10)内，所述的密封箱(10)内还布置有储能电池(11)，所述的储能电池(11)与外部电路(7)连接。
3.如权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的密封箱(10)底部连接有支撑柱(12)。
4.权利要求1、2或3所述的微生物燃料电池在排水系统中的应用。
5.一种管道气体监测装置，包括气体检测仪(13)，其特征在于，还包括权利要求1至3任意权利要求所述的微生物燃料电池，所述的气体检测仪(13)与微生物燃料电池中的储能电池(11)连接。
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