CN204793045U - 内循环单室微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种内循环单室微生物燃料电池，包括反应容器，反应容器包括外筒和中心筒，中心筒置于外筒内，反应容器内为厌氧环境，反应容器内设有内循环装置，中心筒上设有第一、第二循环口；内循环装置能用于推动中心筒内的污水经第二循环口流出中心筒、并使中心筒外的污水经第一循环口流入到中心筒内，或能用于推动中心筒内的污水经第一循环口流出中心筒、并使中心筒外的污水经第二循环口流入到中心筒内，从而实现污水在反应容器内的循环流动；反应容器设有进水口和出水口；反应容器内设有能生长产电微生物的阳极和能利用电子和质子将氧气还原的阴极，阳极和阴极之间串联有电阻，产电微生物产生的质子能够随反应容器内的污水传递到阴极。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生物燃料电池，尤其涉及一种微生物燃料电池。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。近几年微生物燃料电池（MFC）是一种以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能。利用MFC技术来处理废水，不仅可以治污，而且可以回收电能，它是废水处理技术的重大创新。由于微生物燃料电池同时处理废水并产生电能，这项技术越来越受人们青睐，成为废水处理领域的研发热点。然而，现有的MFC还存在不少缺陷，比如阳极室的厌氧反应速率较慢且出水水质一般。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种内循环单室微生物燃料电池。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：本实用新型内循环单室微生物燃料电池包括反应容器，所述反应容器包括外筒和中心筒，中心筒置于外筒内，所述反应容器内为厌氧环境，所述反应容器内设有内循环装置，所述中心筒上设有第一循环口和第二循环口；所述内循环装置能够用于推动所述中心筒内的污水经第二循环口流出中心筒、并使中心筒外的污水经第一循环口流入到中心筒内而实现污水在反应容器内的循环流动，或者，所述内循环装置能够用于推动中心筒内的污水经第一循环口流出中心筒、并使中心筒外的污水经第二循环口流入到中心筒内而实现污水在反应容器内的循环流动；所述反应容器设有进水口和出水口；所述反应容器内设有能够生长产电微生物的阳极和能够利用电子和质子将氧气还原的阴极，所述阳极和所述阴极之间串联有电阻，产电微生物产生的质子能够随反应容器内的污水传递到所述阴极。
进一步地，本实用新型所述内循环装置设于中心筒内或中心筒外。
进一步地，本实用新型所述第一循环口设于所述中心筒的筒壁上，所述第二循环口设于所述中心筒的底部。
进一步地，本实用新型所述反应容器内安装有用于促进污水循环流动的导流板。
进一步地，本实用新型所述导流板呈圆锥体状，且所述圆锥体的顶部对准所述第一循环口和/或第二循环口。
进一步地，本实用新型所述内循环装置包括螺旋桨，所述螺旋桨与发动机的输出轴电连接。
进一步地，本实用新型还包括变频器，所述变频器与发动机电连接。
进一步地，本实用新型所述阴极置于空气与反应容器内的污水的临界位置。
进一步地，本实用新型所述外筒的侧壁上设有通孔，所述阴极密封安装于该通孔内。
进一步地，本实用新型所述阴极为空气式阴极，阴极的催化层与反应容器内的污水接触，阴极的扩散层与外界的空气接触。
与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：（1）能以废水为燃料生产电能，实现废水处理和生物产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。（2）由内循环装置产生的推流水量，经由中心筒的第一循环口和第二循环口在中心筒和外筒之间循环流动，从而实现污水在反应容器内的循环，使污水与反应容器中的微生物充分接触，加速传质过程，提高了污水的去除效率。（3）由于内循环的存在，使进入反应容器内的污水得到迅速扩散，提高反应容器的有机负荷的抗冲击能力。（4）本实用新型结构合理，采用双筒结构的反应容器实现污水的循环流动；同时将能够生长产电微生物的阳极置于反应容器内，将用于还原氧气的阴极置于空气和反应容器内的污水的临界位置，在阳极和阴极之间串联一电阻，得以充分利用反应容器内循环流动的污水加速产电微生物产生的电子经由电阻传递到阴极，并使产电微生物产生的质子直接由循环流动的污水快速传递到阴极，从而促进电子和质子与阴极上吸附的氧气反应而产生电能。
附图说明
图1是本实用新型内循环单室微生物燃料电池的结构示意图。
图2是图1的反应容器的A-A截面图。
图3是图1的反应容器的B-B截面图。
图中：1-进水管，2-中心筒，3-第二循环口，4-第一循环口，5-导流板，6-螺旋桨，7-轴，8-发动机，9-变频器，10-外筒，11-出水管，12-阳极，13-阴极，14-电阻。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实用新型内循环单室微生物燃料电池主要包括反应容器。其中，反应容器呈双筒结构，包括外筒10和中心筒2，中心筒2置于外筒10内。反应容器设有进水口和出水口。作为本实用新型的一种简单易行的实施方式，反应容器的进水口和出水口可直接开设于外筒10的筒壁上，进水口在出水口的下方。其中，进水口处连接有进水管1，出水口除连接有出水管11。在中心筒2上设有第一循环口4和第二循环口3。作为本实用新型的一种实施方式，第二循环口3位于第一循环口4的下方。作为本实用新型的一种优选实施方式，在中心筒2的筒壁上沿周向设有一个以上的第一循环口4，各第一循环口4在中心筒2的筒壁上可沿着筒壁的周向等间隔分布。优选地，中心筒2的底部可呈敞口状，并以该敞口作为第二循环口3。作为另一种实施方式，第二循环口3还可以是在中心筒2的筒壁上开设的位于第一循环口4的下方的若干个进出水孔，也可以是在中心筒2的底部上开设的若干个进出水孔。反应容器内还设有能够生长产电微生物的阳极12和能够利用电子和质子将氧气还原的阴极13，阳极12和阴极13之间串联有电阻14。
在反应容器内安装有内循环装置。内循环装置可以安装在中心筒2内，也可以安装在中心筒2外；内循环装置可以安装于第一循环口4和第二循环口3之间的区域，也可以正对第一循环口4或第二循环口3安装，或者是其他任何合适的位置。事实上，本实用新型并不限制内循环装置的类型和具体的安装位置，只要它能够推动水流经由第一循环口和第二循环口进出中心筒2，从而在反应容器内形成循环水流即可。例如，如图1至图3所示，内循环装置可以是一个螺旋桨6，该螺旋桨6位于中心筒2内且处于第一循环口4和第二循环口3之间的区域。当然，螺旋桨6也可以位于第一循环口4的上方、第二循环口3的下方、与第一循环口4在同一高度、或者与第二循环口3在同一高度（图中未示出）。通过设置螺旋桨6的朝向，可以使螺旋桨6推动中心筒2内的污水经第二循环口3流出中心筒2而进入到外筒10、并进而推动中心筒2外的污水经第一循环口4流入到中心筒2内而实现污水在反应容器内的循环流动。如果将螺旋桨6的朝向旋转180°，则螺旋桨6可以推动中心筒2内的污水经第一循环口4流出中心筒2而进入外筒10、并进而使中心筒2外的污水经第二循环口3流入到中心筒2内而实现污水在反应容器内的循环流动。如果将螺旋桨6置于中心筒2的外壁和外筒10的内壁之间的区域，作为本实用新型的一种实施方式，可以将螺旋桨6置于图1中的第二循环口3与导流板5之间的空间（图中未示出）。
作为本实用新型的优选实施方式，中心筒2可由上至下划分为第一区和第二区。第一循环口4设于第一区，第二循环口3设于第二区的底部，并且，内循环装置固定安装于第一区内，第二区的内径由上向下逐渐变大，由此可以促进内循环流动区域内的污泥的悬浮。作为其中的一种实施方式，如图1所示，中心筒2的第一区呈圆柱形，第二区呈喇叭状或圆台形。
参见图1至图3，中心筒2置于外筒10内。作为一种优选的实施方式，可将中心筒2固定安装在外筒10内部的中心位置，使中心筒2的外壁与外筒10的内壁之间、以及中心筒2的底部与外筒10的底部之间均留有足够的空间，从而使水流经由第一循环口4和第二循环口3而在中心筒2的内外循环流动时有足够的空间。
作为本实用新型的一种优选实施方式，可在反应容器内安装有呈圆锥体状的导流板5，圆锥体的顶部对准第一循环口4和/或第二循环口3。例如，当第二循环口3设于中心筒2的底部时，可将导流板5固定安装在外筒10的底部，并使圆锥体的顶部对准第二循环口3，从而可以更好地平稳过渡经由第二循环口3的水流。
用于生长产电微生物的阳极12置于反应容器内。作为本实用新型的两种实施方式，阳极12可在中心筒2内（图中未示出），或者在外筒10的内壁与中心筒2的外壁之间的区域（如图1至图3所示）。可在外筒10和/或中心筒2内接种有产电微生物的厌氧污泥，从而使得反应容器内为厌氧环境。
阳极12可选用的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡、石墨板等。优选地，在图1至图3所示的实施例中，阳极12呈环形，该环形阳极12套设于中心筒2外。更优选地，在阳极12与中心筒2之间留有间距，从而使阳极12表面附着的产电微生物能够与反应容器内的循环污水更充分地接触而催化污水中的有机物氧化分解而产生电子和质子。
如图1至图3所示，阳极12和阴极13之间串联有电阻14。电阻14一般可置于反应容器外。产电微生物将所产生的电子导出到阳极12上，阳极12上的电子流经电阻14到达阴极13。优选地，将阳极12设于第一循环口4和第二循环口3之间（如图1所示），可利用第一循环口4和第二循环口3之间循环流动的水流更好地推动产电微生物所产生的质子传递到阴极13上。
阴极13可置于空气与反应容器内的污水的临界位置。例如，如图1至图3所示，可在外筒10的侧壁设一通口，将阴极13密封镶嵌在该通口内，使得阴极13的外侧与空气接触，阴极13的内侧与反应容器内的污水接触。作为本实用新型的另一种实施方式，也可在中心筒2或外筒10的顶部设一开口，并将阴极13镶嵌于该开口处，使得阴极13的外侧与空气接触，阴极13的内侧则与反应容器内的污水接触。由于阴极13的内侧与反应容器内的污水接触，使得阳极12的产电微生物所产生的质子随着流动的水流直接传递到阴极13上。此外，产电微生物将所产生的电子导出到阳极12上，由于阳极12和阴极13之间串联有外电阻14，阳极12上的电子流可经外电阻14到达阴极13。又由于阴极13的外侧与空气接触，空气中的氧气能够向阴极13的内侧传递。从而，产电微生物产生的电子和质子将空气中的氧气还原而生成水，最终产生电能。
在本实用新型中，阴极13可采用空气式阴极，由其内侧向外侧依次为催化层、集电材料、碳基层、扩散层。其中，催化层与反应容器内的污水接触，催化层中的催化剂可为负载铂碳催化剂；集电材料可选用防水碳布作为电极材料；碳基层可为涂布炭黑粉末，能够增加电极的导电性；扩散层置于外界的空气中，扩散层可为涂布聚四氟乙烯，一方面可防止反应容器内的水渗出，另一方面可使外界空气中的氧气向催化层方向传质。
作为本实用新型的一种实施方式，内循环装置为螺旋桨6。使用时，将螺旋桨6与发动机8的输出轴电连接，通过发动机8的转动带动螺旋桨6的旋转，从而推动污水的流动。在本实用新型中，可通过改变螺旋桨6的朝向而使中心筒2内的水流向上流动（逆向流动）或向下流动（正向流动）。若污水为正向流动，则污水经第二循环口3流出中心筒2、并使中心筒2外的污水经第一循环口4流入到中心筒2内而实现污水的循环流动；若污水为逆向流动，则污水经第一循环口4流出中心筒2、并使中心筒2外的污水经第二循环口3流入到中心筒2内而实现污水的循环流动。
作为本实用新型的优选实施方式，可在反应容器的外部设有变频器9，并将变频器9与发动机8电连接。可利用变频器9改变发动机8的转速和转向，从而调节螺旋桨6所产生的推流水量的大小和方向，使中心筒2内的水流向上流动（逆向流动）或向下流动（正向流动），并促进污水在外筒10和中心筒2之间进行内循环，从而改善厌氧污泥的悬浮状态。当反应容器内的厌氧污泥与废水未充分接触时，可通过变频器9控制内循环装置产生更大的推流水量，带动污泥悬浮；当反应器内的厌氧污泥与废水充分接触时，可通过变频器9控制内循环装置产生合适的推流水量，以节省电能。
来自反应容器外部的污水经进水管1进入外筒10，在内循环装置的推动下，污水经过中心筒2的第一循环口4和第二循环口3而实现内部循环，从而使污水与产电微生物充分接触，加速传质过程，提高了去除效率。同时由于内循环的存在，使进入反应容器内的污水得到迅速扩散，提高反应容器的有机负荷的抗冲击能力。污水在反应容器内的循环流经阳极12时，阳极12上的产电微生物催化污水中的有机物氧化分解而产生电子和质子，其主要反应的反应式为：CH3COO-+4H2O→2HCO3-+9H++8e-。其中，产电微生物将所产生的电子导出到阳极12上，阳极12上的电子流经外电阻14到达阴极13上，并且，产电微生物将所产生的质子随污水直接传递到阴极13上；空气中的氧气经阴极13的扩散层传递到阴极13的催化层上，在催化层的铂碳催化剂的催化作用下，与产电微生物产生的电子与质子反应最终生成水，其主要反应的反应式为：4H++4e-+O2→2H2O，从而产生电能。反应容器内循环流动的污水加速产电微生物产生的电子经由电阻传递到阴极13，并使产电微生物产生的质子直接由循环流动的污水快速传递到阴极13，从而促进电子和质子与阴极13上吸附的氧气反应而产生电能。本实用新型能以废水为燃料生产电能，实现废水处理和生物产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。
Claims (10)
1.一种内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：包括反应容器，所述反应容器包括外筒（10）和中心筒（2），中心筒（2）置于外筒（10）内，所述反应容器内为厌氧环境，所述反应容器内设有内循环装置，所述中心筒（2）上设有第一循环口和第二循环口；所述内循环装置能够用于推动所述中心筒（2）内的污水经第二循环口（3）流出中心筒（2）、并使中心筒（2）外的污水经第一循环口（4）流入到中心筒（2）内而实现污水在反应容器内的循环流动，或者，所述内循环装置能够用于推动中心筒（2）内的污水经第一循环口（4）流出中心筒（2）、并使中心筒（2）外的污水经第二循环口（3）流入到中心筒（2）内而实现污水在反应容器内的循环流动；所述反应容器设有进水口和出水口；所述反应容器内设有能够生长产电微生物的阳极（12）和能够利用电子和质子将氧气还原的阴极（13），所述阳极（12）和所述阴极（13）之间串联有电阻（14），产电微生物产生的质子能够随反应容器内的污水传递到所述阴极（13）。
2.根据权利要求1所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述内循环装置设于中心筒（2）内或中心筒（2）外。
3.根据权利要求1或2所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述第一循环口设于所述中心筒（2）的筒壁上，所述第二循环口（3）设于所述中心筒（2）的底部。
4.根据权利要求1或2所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述反应容器内安装有用于促进污水循环流动的导流板（5）。
5.根据权利要求4所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述导流板（5）呈圆锥体状，且所述圆锥体的顶部对准所述第一循环口和/或第二循环口（3）。
6.根据权利要求1、2或5所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述内循环装置包括螺旋桨（6），所述螺旋桨（6）与发动机（8）的输出轴电连接。
7.根据权利要求6所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：还包括变频器，所述变频器与发动机（8）电连接。
8.根据权利要求1、2、5或7所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述阴极置于空气与反应容器内的污水的临界位置。
9.根据权利要求8所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述外筒（10）的侧壁上设有通孔，所述阴极（13）密封安装于该通孔内。
10.根据权利要求1、2、5、7或9所述的内循环单室微生物燃料电池，其特征在于：所述阴极为空气式阴极，阴极的催化层与反应容器内的污水接触，阴极的扩散层与外界的空气接触。
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| CN106396001A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-02-15 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 去除水中五价锑污染物的方法及燃料电池 |
| CN106505233A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-03-15 | 重庆大学 | 一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池 |
| CN106505233B (zh) * | 2016-11-10 | 2019-03-19 | 重庆大学 | 一种竹炭管束式鼓泡空气阴极结构的微生物燃料电池 |
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