CN208849010U - 一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池。它主要由本体、控流装置、生物膜器件、阳极、空气阴极、分隔膜、换膜装置、导线和负载等部分组成。这种微生物燃料电池将生物膜技术与微生物燃料电池技术结合起来，将电池的阳极改造成生物膜集成式，解决了传统微生物燃料电池为了保持厌氧菌的活性必须保证阳极处于厌氧环境从而难以连续化处理污水的问题。本实用新型提出了非厌氧阳极微生物燃料电池的概念，提供一种可连续式处理污水的阳极为有氧环境的微生物燃料电池，有望成为一种高效并能同时产生电能的污水处理方法。

Description

一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池

技术领域

本实用新型涉及微生物燃料电池技术领域，确切地说是一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池。

背景技术

随着人口的不断增长,人们生活水平高的不断提高,人类对能源的需求量呈逐年递增的趋势,能源日益短缺和能源需求之间的矛盾也越来越明显。而在利用能源方面,存在着利用率低、开采效率低,燃烧后易产生环境污染等问题。

随着全球环境污染问题的日益突出，微生物燃料电池(MFC)技术因在废水处理过程中能实现能量回收而备受关注。MFC利用微生物在阳极厌氧条件下的代谢作用将废水中的化学能直接转化成电能，几乎不存在其他形式的能量(如热能等)的损耗，理论能量转化效率高，是一种新兴的高效的废水资源化技术，具有十分广阔的市场前景，也是近几年研究的热点。与传统能源相比,MFC有很多优点:不会造成环境污染、产电条件温和、电池燃料来源广泛、噪音低等。微生物燃料电池简单易操作，与其它产电装置相比成本较低。目前微生物燃料电池的主要发展瓶颈是其产电效率较低，还主要处于实验室研发阶段，不能与排污管路有机结合。这是因为目前所设计的微生物燃料电池装置阳极需要保持厌氧的环境，厌氧环境才能让产电菌存活来保证其分解污染物和产生电能，因此现有微生物燃料电池很难设计成连续型的，因为连续流动的污水会带有氧从而很难维持阳极的厌氧环境，所以现有的微生物燃料电池基本上都是间歇型的，从而限制了其产业化、污水处理和产电的速率。

实用新型内容

为解决上述问题，提高微生物燃料电池的运行效率，本实用新型结合生物膜污水处理技术提供一种可连续式处理污水的微生物燃料电池。

该微生物燃料电池包括本体、控流装置、生物膜器件、阳极、空气阴极、分隔膜、换膜装置、导线和负载；本体的两端分别设有进水口和出水口，所述控流装置设在进水口处用于调节污水流量，在本体的内部设有生物膜器件，在生物膜器件的下端连有阳极板延伸至本体外壁，用于连通电路传导质子；在本体侧壁设有空气阴极，通过分隔膜和换膜装置将其与阳极分隔开，所述换膜装置由导液槽和膜支架组成，膜支架固定在本体外壁，导液槽位于膜支架下方，所述阳极与空气阴极通过导线连接形成回路，负载与导线连接。

该燃料电池中还设有溢流管，溢流管设在导液槽外壁上。

进一步的，在本体的两端还设有法兰。

进一步的，所述的控流装置可选用控速阀门来调节污水流量，亦可用来防止水流速过大造成的生物膜器件的破坏。

所述生物膜器件包括填料柱和挂膜陶粒，当污水与挂膜陶粒流动接触，微生物在挂膜陶粒表面生长，经过一段时间后，挂膜陶粒表面附着一层膜状污泥，即生物膜。当生物膜增厚到一定程度后，在氧不能透入的生物膜里层为厌氧状态。在生物膜生长过程中，由于水的冲刷，重量下沉等原因，使生物膜不断脱落，繁殖更新，并能保证生物膜里层的厌氧状态保证厌氧菌存活并工作。

进一步的，空气阴极采用导电材料制得，所述导电材料可以为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板。

进一步的，所述的分隔膜的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。

进一步的，所述阳极为阳极板与生物膜器件集成装置。

将该微生物燃料电池本体优选设计成管状，有利于直接将其集成在需要处理的污水管路里。该管体同时可作为阳极室，作为电子从阳极传导的空间；污水可直接作为阳极液。该管状本体的长径比为3：1。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：1)将生物膜技术与微生物燃料电池相结合，不局限阳极为厌氧环境，有效提升污水处理效率。2)把微生物燃料电池处理污水的模式从间歇式转化成连续式，进一步提升电池的运行效率。3)设计了智能换膜结构，在更换分隔膜的时候保证电池阳极的厌氧状态。

附图说明

图1是本实用新型微生物燃料电池结构示意图。

其中：1、进水口，2、出水口，3、控速阀门，4、填料柱，5、导线，6、挂膜陶粒，7、法兰，8、溢液管，9、阳极板，10、螺纹，11、本体，12、负载，13、导液槽，14、膜支架，15、空气阴极，16、分隔膜。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本实用新型，但不限制本实用新型的保护范围。如无特殊说明，本实用新型所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从化学公司购买。

如图1所示，非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池，在管状本体11的两端分别设有进水口1和出水口2，进水口1为污水进入管道的入口，出水口2为经过净化后的水的出口。在进水口1处设有用于调节污水流量或流速的控速阀门3，在本体11的内部设有生物膜器件，所述生物膜器件包括填料柱4和挂膜陶粒6，所述填料柱4为金属网状的圆柱体结构，起到包裹挂膜陶粒6的作用；挂膜陶粒6是陶制的多孔型圆粒，为厌氧菌的生存环境。在生物膜器件的下端连有阳极板9经过填料柱4延伸至本体11外壁，用于连通电路传导质子；在本体11侧壁设有空气阴极15，通过分隔膜16和换膜装置将其与阳极分隔开，所述换膜装置与本体11通过螺纹10连接，螺纹10连接方便进行后期对膜的更换；分隔膜16能允许质子通过，阻隔水流动；空气阴极15起到提供反应场所，连接空气的作用；所述换膜装置由导液槽13和膜支架14组成，膜支架14固定在本体11外壁，导液槽13位于膜支架14下方，导液槽13用于盛放反应后的水，使空气阴极15与分隔膜16连通。在导液槽13外壁上设溢流管8，溢流管8用于排除氢质子在空气阴极15和氧气发生反应生成的多余的水；所述阳极与空气阴极15通过导线5连接形成回路，负载12与导线5连接。在管体11的两端还设有法兰7。

所述的管状本体11的长径比为3：1，阳极为阳极板与生物膜集成装置，该电极是微生物附着的主要场所并实现电子传递。载铂碳布阴极是含空气扩散层并载有0.35毫克/平方厘米铂催化剂且长宽均为10厘米的长方形碳布电极，该电极是电子受体发生还原反应的场所。

上述燃料电池的运行方法如下：

含有污染物的污水由进水口1进入电池，通过控速阀门3可调节污水的流量。当污水流过电极的阳极附近，附着在挂膜陶粒6上的产电微生物会消耗污水中的有机物作为自己代谢的原料，从而去除有机污染物，在代谢的同时，会产生电子传递给阳极板9，电子通过外电路到达阴极，在阴极电子受体氧气被还原，从而完成整个产电过程。阴极设计成侧壁空气阴极15，通过分隔膜16与阳极相隔，经过处理后的水经出水口2流出电池，此设计可连续处理污水，并能产生一定的电能，处理污水的规模可以通过调整阳极生物挂膜陶粒6的规模来实现，由于结合生物膜装置不要求阳极为厌氧环境，有利于更方便地处理污水，减少了污水厌氧处理等步骤。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非厌氧式阳极连续型处理污水的微生物燃料电池，其特征在于，包括本体(11)、控流装置、生物膜器件、阳极、空气阴极、分隔膜(16)、换膜装置、导线和负载(12)；本体(11)的两端分别设有进水口(1)和出水口(2)，所述控流装置设在进水口(1)处用于调节污水流量，在本体(11)的内部设有生物膜器件，在生物膜器件的下端连有阳极板(9)延伸至本体(11)外壁，用于连通电路传导质子；在本体(11)侧壁设有空气阴极(15)，通过分隔膜(16)和换膜装置将其与阳极分隔开，所述换膜装置由导液槽(13)和膜支架(14)组成，膜支架(14)固定在本体(11)外壁，导液槽(13)位于膜支架(14)下方，所述阳极板(9)与空气阴极(15)通过导线(5)连接形成回路，负载(12)与导线(5)连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，设有溢流管(8)，溢流管(8)设在导液槽(13)外壁上。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，在本体(11)的两端还设有法兰(7)。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的控流装置可选用控速阀门(3)来调节污水流量。

5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述生物膜器件包括填料柱(4)和挂膜陶粒(6)，填料柱(4)为金属网状的圆柱体结构，将挂膜陶粒(6)包裹在内部。

6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，空气阴极(15)采用导电材料制得，所述导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板。

7.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的分隔膜(16)的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜、微滤膜或超滤膜。

8.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极为阳极板(9)与生物膜器件集成装置。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，该微生物燃料电池本体为管状，长径比为3：1。