CN202977610U - 一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 - Google Patents
一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN202977610U CN202977610U CN2012205821561U CN201220582156U CN202977610U CN 202977610 U CN202977610 U CN 202977610U CN 2012205821561 U CN2012205821561 U CN 2012205821561U CN 201220582156 U CN201220582156 U CN 201220582156U CN 202977610 U CN202977610 U CN 202977610U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- fuel cell
- chamber
- anode
- microbial fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本实用新型涉及一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室、阳极室、导线、外用电阻和水生植物；所述阴极室内设有阴极电极和阴极电解液；所述阳极室内设有阳极电极和阳极电解液；所述阴极电极和阳极电极通过导线分别连接到外用电阻的两端；所述阴极室和阳极室上部与空气接触处均种有水生植物；所述阴极室和阳极室内均设有填料，阴极室与阳极室之间通过质子交换膜分隔。本实用新型成本低廉，应用于污水处理和污染物净化时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好；能有效利用废弃生物质能。
Description
技术领域
本实用新型涉及属于可再生能源领域，特别涉及一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置。
背景技术
微生物燃料电池( Microbial Fuel Cell, 以下简称MFC)是以微生物为催化剂，通过降解有机物将化学能转化为电能的一种装置，不仅能以单一的碳水化合物作为燃料发电，还能利用各种废弃生物质的水解产物作为燃料发电，使废弃生物质的再利用成为可能。该技术是一种新概念的废物处理和能源利用方式，具有在生物质能转化和利用方面发挥重要作用的潜力，发展潜力广阔。（黄丽萍, 成少安. 微生物燃料电池生物质能利用现状与展望.生物工程学报.2010,26(7):942-949；Venkata Mohan, Chandrasekhar. Solid phase microbial fuel cell (SMFC) for harnessing bioelectricity from composite food waste fermentation: Influence of electrode assembly and buffering capacity. Bioresource Technology. 2011,102(14): 7077-7085.）。
根据反应器的构型不同，微生物燃料电池装置主要分为单室式、双室式两大类，双室MFC又可分为矩形式、双瓶式、平板式、上流式等（宋天顺, 晏再生, 胡颖等. 沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展. 现代化工.2009,29(11): 15-19），工作原理是阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质(葡萄糖等)，产生电子和质子。电子传递到阳极，再经由外电路到达阴极；质子则穿过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极。在阴极室，质子、电子和氧相结合生成水。阴阳两极之间存在电位差，最高电位可达(0.5-0.8)V，这与氢燃料电池产生的电压相接近，通过对反应器的集成，可以将这样的低电压转换成较高电压，从而获得可利用的电能。
MFC可以替代生物乙醇技术利用半纤维素水解产物产生电能。半纤维素水解产物主要成分之一的木糖曾被研究者用作MFC的燃料产电。Catal等人（Catal T, Li K, Bermek H, et al. Electricity production from twelve monosaccharides using microbialfuel cells. Journal of Power Sources, 2008, 175(1):196?200）利用木质纤维素水解过程产生的十二种单糖做为MFC燃料产电。结果表明，MFC可有效的利用木质纤维素水解产物中的多种单糖，在产电的同时将之完全降解为CO2。因此，木质纤维素的利用与MFC的结合，将促进生物质的多元利用。
梁鹏等人（梁鹏，范明志，曹效鑫等，填料型微生物燃料电池产电特性的研究.环境科学.2008,29(2):512-517）将石墨和碳毡作为阳极填料组装成填料型微生物燃料电池，其启动期在1d左右。碳毡作为填料时，微生物燃料电池的最大产电功率密度为1502mW/m2(37.6W/m3)。将碳毡与碳纸烧结一体以提高填料型微生物燃料电池阳极的导电性，与平板型微生物燃料电池相比，其面积内阻从0.071Ω·m2下降到0.051Ω·m2，最大电流密度从3000mA上升到8000mA，最大产电功率密度从1100mW/m2(27.5W/m3)上升到2426mW/m2(60.7W/m3)，阳极电势平均下降100mV。填料型微生物燃料电池在外电阻为600Ω下长期稳定运行30d以上，其库仑效率约为10.6%。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种依靠水生植物生长直接产电，且用于污水或废弃物处理时，具有污染物净化效果好、成本低、运行维护简单、可再生性强、可直接产生电能等特点的填料型植物电极的微生物燃料电池装置。
实现本实用新型目的的技术方案是：一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室、阳极室、导线、外用电阻和水生植物；所述阴极室内设有阴极电极和阴极电解液；所述阳极室内设有阳极电极和阳极电解液；所述阴极电极和阳极电极通过导线分别连接到外用电阻的两端；所述阴极室和阳极室上部与空气接触处均种有水生植物；所述阴极室和阳极室内均设有填料，阴极室与阳极室之间通过质子交换膜分隔。
上述技术方案所述阳极电解液为废弃秸秆生物质水解液。
上述技术方案所述阴极电解液可以是废弃秸秆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐。
上述技术方案所述填料从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂。
上述技术方案所述水生植物可以为水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲、象草中的一种或两种或两种以上。
上述技术方案所述阴极电极和阳极电极均为为石墨毡、碳纸、碳布中的一种或两种或三种。
上述技术方案所述阴极室和阳极室均为圆筒状。
采用上述技术方案后，本实用新型具有以下积极的效果：（1）成本低廉：水生植物种植成本很低，无需价格高昂的负载贵金属如铂、金等阴极电极材料，价格低廉，性能优良；（2）该装置应用于污水处理和污染物净化时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好；（3）该装置应用废弃生物质水解产物为阳极底物不仅能生产清洁能源-电能，同时还能有效利用废弃生物质能；（4）阴、阳极室颗粒活性炭填料的设置，不仅具有吸附作用，净化污水，同时还能为微生物提供载体，增大产电量，但不影响水生植物的生长。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
图1为本实用新型的结构示意图；
图中1.阴极室，11.阴极电极，2.阳极室，21.阳极电极，3.导线，4.外用电阻，5.水生植物，6.填料，7.质子交换膜。
具体实施方式
（实施例1）
见图1，本实用新型包括阴极室1、阳极室2、导线3、外用电阻4和水生植物5；阴极室1和阳极室2均为圆筒状，阴极室1内设有阴极电极11和阴极电解液；阳极室2内设有阳极电极21和阳极电解液；阴极电极11和阳极电极21通过导线3分别连接到外用电阻4的两端；阴极室1和阳极室2上部与空气接触处均种有水生植物5；阴极室1和阳极室2内均设有填料6，填料6从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂，阴极室1与阳极室2之间通过质子交换膜7分隔。从阳极室2底部加入废弃生物质水解液或者污水等后，该装置可以对废弃生物质进行利用并持续产生电能。
上述阳极电解液为废弃秸秆生物质水解液；阴极电解液可以是废弃秸秆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐；阴极电极11和阳极电极21均为石墨毡、碳纸或碳布中的一种或两种或三种。
水生植物5为植物界中不包含蓝藻、绿藻等小型藻类的其他所有植物，水生植物5优选水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲或象草等。
以下对一个规模为1000ｍ3/ｄ居住区污水回用工程分别采用公知的厌氧生物反应器和本实用新型的一种新的填料型微生物燃料电池装置进行了初步的能耗分析和比较。
比较例1（公知的厌氧生物反应器）
该生物反应器高1.2米，有机物去除效率为82%，沼气产率0.45，处理单位水量的能耗为0.55kＷ·ｈ/ｍ3。
实施例1（本实用新型的第一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置）：
阴极室1和阳极室2的高均为1米，，圆柱底面直径为200mm，体积为31.4m3。阳极室2中栽种美人蕉，阴极室1中栽种菖蒲。阴极室1和阳极室2装有相同填料6，从反应器底部向上10mm装入大颗粒废石，中部填充活性炭，上部分填充小颗粒石头石英砂，用量比（体积）为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均使用石墨毡。
经监测，上述微生物燃料电池装置处理单位水量的能耗为0.36kＷ·ｈ/ｍ3，有机物去除效率90%以上，且联产电量0.01-3.980kＷ·ｈ/ｍ3。
比较得出：利用本实用新型的新型微生物燃料电池装置处理单位出水水量的能耗比公知的厌氧生物反应器多产1-40％的能量，促进了节能减排。
以下对1万吨秸秆废弃物分别采用直接燃烧和本实用新型的以秸秆废弃物水解液为阳极底物的燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。
比较例2（秸秆燃烧处理）：
目前，在全国大部分农村地区，秸秆废弃物进行直接燃烧处理，能源利用率低且污染大气。
实施例2（本实用新型的第二种填料型植物电极的微生物燃料电池装置）：
阴极室1和阳极室2高度均为1米，阴极室1中种植象草，阳极室2种植美人蕉。阴极室1和阳极室2内设有相同的填料6，从装置底部向上10mm装入大颗粒石头，中部填充颗粒活性炭，上部填充石英砂，用量比（体积）约为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均为石墨毡。
经检测，上述微生物燃料电视装置处理单位秸秆量的能耗为0.1kW·h/ m3，且联产电量0.1～2 kW·h/ m3。
比较得出：利用本实用新型的微生物燃料电池装置处理秸秆水解液，能够具有0.1～2 kW·h/ m3产能，环保节能。
以下对一个规模为10000m3/d城市污水分别采用污水处理厂和本实用新型的第三种填料型植物电极的微生物燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。
比较例3（城市污水处理厂）：
该污水处理厂日处理污水量为10000m3/d，有机物去除效率为80%，处理单位水量的能耗为2 kW·h/ m3。
实施例3（本实用新型的第三种填料型植物电极的微生物燃料电池装置）：
阴极室1和阳极室2的高度均为1.2米，处理污水的体积为100 m3。阴极室1中种植菖蒲，阳极室2中种植芦苇。阴极室1和阳极室2内设有相同的填料6，从装置底部向上10mm设置大颗粒砾石，中部填充颗粒活性炭，上部填充石英砂和细砂，用量比（体积）约为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均使用石墨毡。
经检测，上述微生物燃料电池装置处理单位污水的能耗为0.15 kW·h/ m3，有机物去除效率达87%以上，有较强的脱氮能力，且联产电量0.3-2.8 kW·h/ m3。
比较得出：利用本实用新型的微生物燃料电池装置处理污水，不仅有产电量，而且污水处理效果好，脱氮能力强，促进了节能减排。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室（1）、阳极室（2）、导线（3）、外用电阻（4）和水生植物（5）；所述阴极室（1）内设有阴极电极（11）和阴极电解液；所述阳极室（2）内设有阳极电极（21）和阳极电解液；所述阴极电极（11）和阳极电极（21）通过导线（3）分别连接到外用电阻（4）的两端；所述阴极室（1）和阳极室（2）上部与空气接触处均种有水生植物（5）；其特征在于：所述阴极室（1）和阳极室（2）内均设有填料（6），阴极室（1）与阳极室（2）之间通过质子交换膜（7）分隔。
2.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述阳极电解液为废弃秸秆生物质水解液。
3.根据权利要求2所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述阴极电解液可以是废弃秸秆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐。
4.根据权利要求1或3所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述填料（6）从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂。
5.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述水生植物（5）可以为水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲、象草中的一种或两种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述阴极电极（11）和阳极电极（21）均为石墨毡、碳纸、碳布中的一种或两种或三种。
7.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于：所述阴极室（1）和阳极室（2）均为圆筒状。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012205821561U CN202977610U (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012205821561U CN202977610U (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN202977610U true CN202977610U (zh) | 2013-06-05 |
Family
ID=48518647
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2012205821561U Expired - Fee Related CN202977610U (zh) | 2012-11-07 | 2012-11-07 | 一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN202977610U (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103787557A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-05-14 | 安徽工程大学 | 一种酸性矿井废水的治理装置 |
| CN103811790A (zh) * | 2012-11-07 | 2014-05-21 | 江苏常环环境科技有限公司 | 填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
| CN106315976A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-01-11 | 常州大学 | 一种偶氮染料废水处理装置 |
| CN107275647A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-10-20 | 清华大学 | 微生物燃料电池及其阳极、以及在处理污水中的用途 |
| CN108365245A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-08-03 | 广东省农业科学院环境园艺研究所 | 一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法 |
-
2012
- 2012-11-07 CN CN2012205821561U patent/CN202977610U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103811790A (zh) * | 2012-11-07 | 2014-05-21 | 江苏常环环境科技有限公司 | 填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
| CN103811790B (zh) * | 2012-11-07 | 2016-07-06 | 江苏常环环境科技有限公司 | 填料型植物电极的微生物燃料电池装置 |
| CN103787557A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-05-14 | 安徽工程大学 | 一种酸性矿井废水的治理装置 |
| CN106315976A (zh) * | 2016-09-09 | 2017-01-11 | 常州大学 | 一种偶氮染料废水处理装置 |
| CN107275647A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-10-20 | 清华大学 | 微生物燃料电池及其阳极、以及在处理污水中的用途 |
| CN108365245A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-08-03 | 广东省农业科学院环境园艺研究所 | 一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法 |
| CN108365245B (zh) * | 2018-02-09 | 2020-10-27 | 广东省农业科学院环境园艺研究所 | 一种用于构建植物-微生物燃料电池的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Abbas et al. | Recent advances in bio-based carbon materials for anaerobic digestion: A review | |
| CN102263279A (zh) | 一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置 | |
| CN202977610U (zh) | 一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置 | |
| CN104393309B (zh) | 一种光催化和微生物复合阳极燃料电池系统 | |
| CN101786781B (zh) | 利用牛粪进行两相沼气发酵的水解酸化相产电的装置及其产电方法 | |
| CN101908634B (zh) | 分体式无膜微生物燃料电池 | |
| CN105236584B (zh) | 一种上行垂直流人工湿地耦合微生物电解池强化脱氮的方法及装置 | |
| CN103811790B (zh) | 填料型植物电极的微生物燃料电池装置 | |
| CN106207230B (zh) | 无氧阴极光电微生物燃料电池及其同步产电产甲烷方法 | |
| CN201134469Y (zh) | 从废水处理中回收电能的微生物燃料电池 | |
| CN101710624B (zh) | 连续废水处理微生物燃料电池 | |
| CN105565497A (zh) | 生物炭基质阳极的空气阴极微生物燃料电池人工湿地装置 | |
| CN105098217B (zh) | 三维电极光电微生物燃料电池反应器及沼气提质增效的方法 | |
| CN101777661B (zh) | 利用牛粪进行两相沼气发酵的产甲烷相产电装置及其产电方法 | |
| Ahanchi et al. | Review on waste biomass valorization and power management systems for microbial fuel cell application | |
| CN103482768A (zh) | 一种用于污水净化并同步持续产电的方法及装置 | |
| US9458474B2 (en) | Method and system for electro-assisted hydrogen production from organic material | |
| CN109841842A (zh) | 生物炭介导的固体生物膜mfc促进剂制备装置及制备方法 | |
| CN106848360A (zh) | 一种三阳极共用单阴极型脱氮微生物燃料电池 | |
| CN202164174U (zh) | 一种同时实现污水生态处理与微生物燃料电池产电的结构 | |
| Murugaiyan et al. | An overview of microbial electrolysis cell configuration: Challenges and prospects on biohydrogen production | |
| CN107964552B (zh) | 一种厌氧消化与mfc耦合提高甲烷合成效率的方法 | |
| Gautam et al. | Hydrogen production in microbial electrolysis cell and reactor digestate valorization for biochar–a noble attempt towards circular economy | |
| Jatoi et al. | Utilization of distillery effluent as substrate for power generation with optimized parametric conditions using microbial fuel cell | |
| CN104926023A (zh) | 结合微生物燃料电池与厌氧人工湿地的农村生活污水处理系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU CHANGHUAN ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY CO., LT Free format text: FORMER OWNER: CHANGZHOU ACADEMY OF ENVIRONMENTAL SCIENCE Effective date: 20130510 |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130510 Address after: 213000 Jiangsu city of Changzhou province Hengshan Road New District No. 18 Jia new garden podium four side of one to two Patentee after: JIANGSU CHANGHUAN ENVIRONMENT SCIENCE & TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: Changzhou City, Jiangsu province Hengshan Road 213000 No. 18 Jia new garden podium on the west side of one to two Patentee before: Changzhou Academy of Environmental Science |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130605 Termination date: 20181107 |