CN111584913A - 一种垂直流互逆型微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直流互逆型微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室；所述的阳极室与所述的阴极室竖直排列，所述的阳极室位于所述的阴极室的顶部；所述的阳极室的底板为滴滤隔板；所述的阴极室顶部开口；所述的阳极室与阴极室之间设置溶氧间隔支架，将阳极室和阴极室隔开；溶氧间隔支架为中空结构。本发明实现了阳极室向阴极室无质子交换膜分割直接传递质子，同时污水在进入阴极室之前与空气充分接触，阳极室好氧生物处理与自然溶氧滴滤连续进行，自然溶氧有效增加阴极表面电化学反应速率；本发明反应器此外还可以将间隔支架去除，将阳极室和阴极室位置对调，形成上升流微生物燃料电池。

Description

一种垂直流互逆型微生物燃料电池

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，具体涉及一种垂直流互逆型微生物燃料电池。

背景技术

近年来，能源问题和环境问题日益突显，故微生物燃料电池(Microbial FuelCell，简称MFC)作为一种在解决环境问题的同时又能产生能源的新能源开发技术使得国内外广泛关注。废水中含有各种各样的无机离子和有机分子，而这些物质在水处理工程中是作为目标污染物的。微生物燃料电池中产电微生物能利用废水中的生物营养物质通过自身的新陈代谢作用转化为生物电能，将废水中的污染物实现高效脱除。

阳极室和阴极室之间的质子交换效率制约着微生物燃料电池的电化学性能。为了加快氧原子在阴极表面与质子和电子结合的电化学反应速率，可以通过提高质子传递效率来实现。传统的微生物燃料电池多采用质子交换膜进行阳极室和阴极室的分隔，膜的面积和大小受到微生物燃料电池自身规格的影响，而质子交换膜的交换效率与膜的面积成正比，由于受限于微生物燃料电池的规模，无法大面积提升膜面积，而且质子交换膜的价格普遍昂贵，故需要寻找替代质子交换膜的其他方式。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种垂直流互逆型微生物燃料电池，将微生物燃料电池设计为立体竖直双室，阳极室和阴极室竖直排列，中间装有滴滤隔板和溶氧间隔支架，实现阳极室向阴极室无质子交换膜分割直接传递质子，同时污水在进入阴极室之前与空气充分接触，阳极室好氧生物处理与自然溶氧滴滤连续进行，自然溶氧有效增加阴极表面电化学反应速率；本发明反应器此外还可以将间隔支架去除，将阳极室和阴极室位置对调，形成上升流微生物燃料电池。

具体技术方案如下：

包括阳极室和阴极室；所述的阳极室与所述的阴极室竖直排列，所述的阳极室位于所述的阴极室的顶部；所述的阳极室的底板为滴滤隔板；所述的阴极室顶部开口；所述的阳极室与阴极室之间设置溶氧间隔支架，将阳极室和阴极室隔开；溶氧间隔支架为中空结构，阳极室中的污水通过滴滤隔板自然垂直流入阴极室。

本发明中的滴滤隔板同时具备氧气通道的作用。

本发明采用溶氧间隔支架作为质子传送通道。

本发明针对现有技术的不足，使污水经阳极室内胆厌氧→生物膜好氧区好氧生物过程后再通过滴滤的方式与空气充分接触后进入阴极室。通过溶氧间隔支架将阳极室和阴极室间隔开来，使垂直流污水与空气密切接触，未设置传统的质子交换膜，进而使废水处理成本大幅降低。

进一步，所述的阳极室的内腔中还包括一个阳极内胆室；所述的阳极内胆室)顶端开口，其内腔填充生物导电颗粒；所述的阳极内胆室底部开设进水口A，所述的阳极室设置进水口B；进水口A与进水口B通过管路连接。

所述的进水口B优选设置于阳极室的底部。

通过底部推流进水，污水通过阳极内胆室厌氧生物过程后流入阳极内胆室外的好氧区，再经滴滤的方式流入阴极室，在阳极室和阴极室中间设置溶氧间隔支架，使氧气自然融入到水体中，提高水体的自然溶氧水平。此内胆室鼎升推流设计可以保证微生物生存的厌氧环境，防止氧气进入。

进一步，所述的阳极室的电极为碳毡、碳棒及生物导电颗粒。

再进一步，所述的阳极内胆室的内腔填充由碳毡包裹的生物电极颗粒；所述的阳极内胆室顶端用碳毡封口。所述的生物电极颗粒优选为石墨颗粒和活性炭颗粒，将颗粒与碳毡压紧包裹，使颗粒与碳毡紧密接触。

碳毡、碳棒、生物电极颗粒紧密接触；碳棒优选插入阳极内胆室底，并外接导线。

石墨颗粒和活性炭颗粒两者优选按照等量化均匀混合后填充进阳极内胆室压实。

阳极内胆室外部优选填充碳毡，可将封闭阳极内胆室顶端的碳毡四面下展，填充于阳极内胆室顶部之下的好氧区空间。

石墨颗粒和活性炭颗粒为产电微生物提供成膜附着点，碳毡提供微生物挂膜的介质和导电介质。内胆室顶用碳毡封口并下折进入阳极室好氧功能区，内胆室内鼎升污水出流经顶部碳毡漫流进入好氧功能区，好氧功能区因与室外空气自然流通形成好氧生物挂膜环境，待处理污水连续经内胆厌氧，好氧区好氧连续生物处理。内胆室外的碳毡有导流、生物挂膜的作用。

进一步，所述的阴极室的电极为膜生物电极。

再进一步，所述的膜生物电极为碳纤维基导电膜。阴极室为电膜生物反应器，碳纤维基导电膜作为膜过滤组件，膜电极可以过滤污染物，同时也是生物燃料电池导电阴极，为氧化还原反应提供活性位点。

进一步，所述的阴极室内设置曝气装置，用于溶解氧补充。曝气装置一般选用曝气条或曝气石。

再进一步，所述的曝气装置连接电池外部的曝气泵，气流速度由曝气泵进行调节，适时补充室内溶解氧水平。

进一步，所述的阴极室上部侧壁开设溢流口。

进一步，所述的阴极室上部侧壁开设出水口。

进一步，所述的阴极室底部开设排空口，用于排除底部淤泥及生物取样。

进一步，所述的阴极室底部开设进气口。

进一步，所述的阳极室包括顶盖，所述的顶盖上开孔，孔内设置下插入内胆室底的多孔管，用作溶解氧监测采集孔和pH值监测采集孔，亦可作微生物样品采集口。将多孔管上端用冒盖密封，防止氧气进入阳极内胆室，破坏其厌氧环境。

进一步，在阳极室设置参比电极，并与数据采集系统相连，进行在线电势实时监测，阳极室和阴极室两室间设置外电阻。

本发明还可以根据需要将间隔支架去除，阳极室和阴极室的功能对调，形成一种上升流微生物燃料电池，水体自下而上推进流动，可以根据污染物负荷及特征污染物不同进行便携式运行方式的反转。

本发明的有益效果如下：

本发明专利打破传统微生物燃料电池结构设计，创新式开发了垂直流互逆型微生物燃料电池，阳极室与阴极室间可实现无质子交换膜分隔物直接质子传递，同时由于溶氧间隔支架的存在，垂直流运行方式可自然融入氧气，有效降低底部曝气功率，可以有效提升阴极室溶解氧水平，对系统产电能力有明显促进作用。新型垂直流互逆型微生物燃料电池由双室结构组成，阳极室内包含一个单独的阳极内胆室，所述内胆室内部由碳毡包裹密封，一方面提供厌氧环境，另一方面为厌氧微生物提供挂膜介质，水体流经碳毡有效的增加的水力停留时间，提高了污染物生物处理效率。采用溶氧间隔支架，摒弃传统的质子交换膜，使生物电化学系统成本大幅降低，进而降低了废水处理成本。为进一步提高系统废水处理效率，微生物燃料电池的阴极同时也是电膜生物反应器，膜电极可以充当过滤膜，使出水水质得到有效保证。电极膜表面由导电材料构成，做到了导电过滤双功能，实现了材料成本有效降低。本垂直流互逆型微生物燃料电池显著延长废水与微生物的接触界面，并且厌氧与好氧连续生物处理，抗负荷冲击能力较强，可实现废水经济高效处理。

附图说明

图1为本发明的正视内部结构示意图；

图2为本发明的立体外部示意图。

图中：1、阳极室；2、阴极室；3、滴滤隔板；4、溶氧间隔支架；5、阳极内胆室；6、进水口A；7、进水口B；8、出水口；9、溢流口；10、排空口；11、进气口；12、底座；13、封顶碳毡；14、碳棒；15、多孔管。

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。

实施例中所述L为边长，H为高度，Φ为直径。

一种垂直流互逆型微生物燃料电池，如图1-2所示，为立体竖直双室结构，包括一个顶部的阳极室1和一个底部的阴极室2；所述阳极室1和所述阴极室2竖直排列；阳极室1与阴极室2之间设置溶氧支架间隔4；阴极室2底部设置底座12；阳极室1的底板为滴滤隔板3；阴极室2顶部为敞口；阳极室1的内腔包括一个阳极内胆室5，阳极内胆室5顶端开口。

垂直流互逆型微生物燃料电池外形结构：微生物燃料电池整体外形高度H35(cm)，共分为阳极室1、溶氧间隔支架4、阴极室2和底座12四部分，阳极室1内腔尺寸：L8(cm)×L8(cm)×H15(cm)，溶氧间隔支架内圈尺寸：L8(cm)×L8(cm)×H4(cm)，阴极室2内腔尺寸：L8(cm)×L8(cm)×H8(cm)；底部由底座12支撑，底座高度H＝2(cm)。

阳极室1结构如下：阳极室1容积0.96L，其顶部设置顶盖；其中阳极内胆室5容积0.40L[L6(cm)×L6(cm)×H11(cm)]，阳极内胆室5底部中心开设进水口A 6，并预置水冒Φ4(mm)，水冒连接进水管，使水体均匀进入阳极室1，阳极室1底部预留Φ4(mm)进水口B 7；阳极电极为碳毡、碳棒及生物导电颗粒；生物导电颗粒为石墨颗粒与活性炭颗粒；阳极内胆室5填充石墨颗粒和活性炭颗粒，碳毡将石墨颗粒和活性炭颗粒完全包裹；生物导电颗粒的粒径为3mm左右，体积比为1:1，将阳极内胆室5完全填充；填充颗粒与碳毡压紧形成有效接触；单层碳毡厚度为8mm；碳毡可以防止阳极内胆室5内颗粒溢出形成完全封闭厌氧环境，同时也为微生物挂膜提供了介质；碳棒14(Φ4mm)下插入阳极内胆室5的底部并从阳极室1的顶盖穿出，其紧密接触生物导电颗粒与碳毡；碳棒14由导线与外部数据收集系统相连，此外将碳棒14与外接电阻、阴极电生物膜连接形成闭合回路；阳极室1顶盖上插入甘汞232参比电极，参比电极导线连入数据收集系统；阳极室1顶盖预留多孔管15，下插阳极内胆室5至底部，作为溶解氧监测采集孔和pH值监测采集孔，亦可作微生物样品采集口；多孔管15尺寸为Φ10(mm)，下插入阳极内胆室5底，多孔管15上端用冒盖密封，防止空气进入阳极内胆室5，多孔管15的孔位于阳极内胆室内的管段上；阳极内胆室5外为好氧挂膜区，阳极内胆室5顶部由碳毡封顶，封顶碳毡13四周下展，在阳极室1内填充从阳极内胆室5顶端到阳极室1内底面的整个区隔；阳极内胆室5鼎升出水经碳毡漫流进入好氧区；好氧区经自然挂膜，生物膜内生物对垂直流污水进行好氧生物处理，实现污染物的生物降解；垂直流污水同步实现自然溶氧，水体溶解氧水平被提升。

阴极室2结构如下：阴极室2单室容积0.51L，顶部敞口；阳极好氧挂膜区出水经滴滤进入阴极室2；阴极室2侧上方预留出水口8Φ12(mm)和溢流口9Φ12(mm)；阴极室底部预留排空口10Φ12(mm)和进气口11Φ3(mm)；进气口11外部与曝气泵连接，内部与曝气沸石连接，以便及时补充溶解氧；微生物燃料电池的阴极为膜电极，碳纤维基导电膜组件也是EMBR(电-膜生物反应器)过滤介质，导电膜有效膜面积24cm²×2，膜材料为PVDF，涂覆碳纤维布；膜电极组件与出水口9相连，并接蠕动泵负压出水；出水管路Φ12(mm)，蠕动泵可以控制流速以便控制出水水量。

质子通道结构如下：阳极室1与阴极室2中间加入溶氧间隔支架4，该支架作为空气流通通道，内圈尺寸为L8(cm)×L8(cm)×H4(cm)；溶氧间隔支架4采用中空结构，阳极室1与阴极室2无分隔物，即取消传统PEM(质子交换膜)。

此外根据污染负荷或实验需要可将间隔支架去掉，阴极室和阳极室功能区对调，从电池底部进水，形成上升流微生物燃料电池，可实现便携式功能区反转运行。

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)

1.一种垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，包括阳极室和阴极室；所述的阳极室与所述的阴极室竖直排列，所述的阳极室位于所述的阴极室的顶部；所述的阳极室的底板为滴滤隔板；所述的阴极室顶部开口；所述的阳极室与阴极室之间设置溶氧间隔支架。

2.根据权利要求1所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极室的内腔中还包括一个阳极内胆室；所述的阳极内胆室的顶端开口，其内腔填充生物电极颗粒；所述的阳极内胆室的底部开设进水口A，所述的阳极室设置进水口B；进水口A与进水口B通过管路连接。

3.根据权利要求1所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，

所述的阳极室的电极为碳毡、碳棒及生物导电颗粒；

所述的阴极室的电极为膜生物电极。

4.根据权利要求2或3所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，

所述的阳极内胆室的内腔填充由碳毡包裹的生物导电颗粒；

所述的阳极内胆室的顶端用碳毡封口。

5.根据权利要求4所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述的生物导电颗粒为石墨颗粒和活性炭颗粒。

6.根据权利要求4所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极内胆室之外填充碳毡。

7.根据权利要求1-3任一项所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极室内设置曝气装置。

8.根据权利要求7所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述曝气装置外接曝气泵。

9.根据权利要求1-3任一项所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，

所述的阴极室上部侧壁开设出水口；

所述的阴极室上部侧壁开设溢流口；

所述的阴极室底部开设排空口；

所述的阴极室底部开设进气口。

10.根据权利要求1-3任一项所述的垂直流互逆型微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极室包括顶盖，所述的顶盖上开孔，孔内设置下插入阳极内胆室底部的多孔管；多孔管顶端可封闭。

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