CN209052544U

CN209052544U - 一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置

Info

Publication number: CN209052544U
Application number: CN201821676595.2U
Authority: CN
Inventors: 王中有
Original assignee: Jiangsu All Purification Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu All Purification Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2028-10-16

Abstract

本实用新型具体涉及一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，包括微生物燃料电池与光电催化装置；微生物燃料电池包括通过微生物质子交换膜分隔开的阳极室和阴极室；污水由阳极室进由阴极室出；阳极室中液体内部放置包含希瓦氏菌的混合菌群；阳极电极与阴极电极通过导线相连并且与充电控制器相连；充电控制器与蓄电池电连接；水泵将经过微生物燃料电池的污水通过水管输入光电催化装置中；光电催化装置包括镀膜催化反应器；镀膜催化反应器与蓄电池电连；光电催化装置还包括紫外光灯；紫外光灯与蓄电池电连，且能够照射到镀膜催化反应器。本装置结构简单，使用方便，在进行农产品加工污水和家庭生活污水处理时，操作简便、清洁环保、科学有效。

Description

一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置

技术领域

本发明涉及污水处理、微生物燃料电池技术与光电催化技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置。

背景技术

随着工业迅速发展，农产品加工污水的种类和数量迅猛增加，对水环境的污染也日趋广泛和严重，这严重的威胁到人类的健康和安全。农产品加工污水为高浓度有机废水，组成较为复杂，主要由设备清洗废水、消毒清洗废水、地面清洗水、果汁冷凝水、设备冷却水、空调冷却水地面清洗水及其他排放废水等部分组成。

与此同时，随着世界人口越来越多，人类的活动越来越频繁，家庭生活污水也越来越多且里面含有的有机化学成分也越来越丰富。因此，对于家庭生活污水处理也受到更广泛的重视。

采用传统的水处理方法 (如物理法、化学法、生物法) 在一定程度上能改善废水水质情况，但都有各自的不足或缺点。其中，物理法利用吸附、沉淀或阻隔等方式将杂质排除在外。如经典的活性炭吸附可有效净化水体，但随着时间的延长炭吸附能力将不断减弱，需定期进行清洗和更换，而且它并不能将有机污染物降解氧化，由此可能导致相转移，使问题进一步恶化。尤其是面对高浓度的工业废水中含有有机污染物时更显得力不从心。化学法包括氧化处理、中和处理、混凝处理等，拥有快速有效地去除污染物的能力，然而在实际操作中可能出现回收困难、很容易产生二次污染等问题。相比之下，生物法以其经济性和绿色环保性成为目前最受欢迎的水处理技术之一，但当废水中存在难降解有机物或含生物毒性污染物时，单一地采用生物法处理该废水难以得到理想的降解效果。而且生物处理效果提升难以掌握且不确定性很高。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：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，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质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。与常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，因而具有更多优点：燃料来源广泛，尤其可利用有机废水等废弃物；反应条件温和，常温常压下即可运行；环境友好，所产生的物质主要是CO₂和H₂O，无酸、碱、重金属等污染物产生，无需对其产物做任何后处理；因能量转化过程无燃烧步骤，故理论转化效率较高。

以掺硼金刚石薄膜电极（BDD）为核心的净化设备，作为新一代的用于电化学法水处理的电极材料，与贵金属和钛基涂层电极（DSA）等传统材料相比，BDD电极具有最好的阳极氧化能力，最宽的电位窗口和最高的电流密度。金刚石稳定的sp³结构使其具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化和抗污染性等优良特点。因此BDD电极具有极长的使用寿命（40-50年）。

在电场作用下，BDD电极表面能够连续不断产生具有超强氧化性的自由态羟自由基•OH（标准氧化电位为2.80V，接近单质氟气的2.87V）、过氧自由基•HO₂、臭氧O₃和过氧化氢H₂O₂等氧化物种，在与高浓度工业废水反应的同时，还对各种微生物，包括细菌和病毒有着强烈的杀灭作用。将BDD用于MFC的电极材料，不但可以使电极拥有耐腐蚀、耐高温、抗氧化和抗污染性，而且可以更加高效的处理污水。

光催化氧化法作为一种新型的水处理技术，利用廉价的太阳光作为反应能源，与常规物化处理方法相比，具有能彻底破坏有机污染物、不产生二次污染、能量消耗低、操作简单、反应条件温和、无选择性等优点。

为了提高光催化效果，加入电场协助光催化的技术即为光电催化技术。将半导体氧化物薄膜作为工作电极，将TiO₂等光催化剂涂覆在光阳极上，TiO₂光电效应把导带电子的还原过程同价带空穴的氧化过程从空间位置上分开。明显减少了电子和空穴的复合，大大增加了半导体表面•OH的生成效率，防止了氧化中间产物在阴极上的再还原。凡是能利用光催化的有机污染物，采用光电催化后其反应效率均有较大提高。大量研究发现，采用光电催化技术能将水中的有毒有机污染物，如：染料、烃类、酚类等进行脱色、降解与矿化，最终分解为二氧化碳、水和无机盐。从而减少有机污水对环境的污染，其在生活污水和工业污水以及水源修复方面具有良好的应用前景和潜力。

但仅仅依靠于微生物燃料电池来处理污水并不能达到极佳的效果，且考虑到其处理量少，并不能用于大规模的污水处理。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

为了解决上面提出的问题，本发明提出一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置。在本方法中将微生物燃料电池技术与光电催化技术有效的结合在一起的装置，并且在本装置中选用含有希瓦氏菌的混合菌群来代替原有的纯菌微生物，从而能够达到能源转换后循环利用、操作简便、清洁环保、高效科学的作用。

2.技术方案：

一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：包括微生物燃料电池与光电催化装置；污水通过水路进入微生物燃料电池；所述微生物燃料电池包括通过微生物质子交换膜分隔开的阳极室和阴极室；污水由阳极室进入，由阴极室通过离心式水泵抽出；所述阳极室内设置阳极电极；所述阴极室设置阴极电极；所述阳极室中液体内部放置包含希瓦氏菌的混合菌群；所述阳极电极与阴极电极在水路外端通过导线相连；连接阳极电极与阴极电极的导线与充电控制器相连；所述充电控制器与蓄电池电连接并控制对蓄电池是否充电；离心式水泵将经过微生物燃料电池的污水通过水管输入光电催化装置中；所述光电催化装置包括镀膜催化反应器；所述镀膜催化反应器与蓄电池电连；所述光电催化装置还包括紫外光灯；所述紫外光灯与蓄电池电连，且能够照射到镀膜催化反应器。

进一步地，所述微生物燃料电池的阴、阳极电池的材料均为多孔型掺硼金刚石薄膜电极；其中阴、阳极电池均为3组电极平行排列；所述每组阴、阳电极通过导线与充电控制器连接成完整的闭合回路。

进一步地，所述质子交换膜为PEM9。

进一步地，所述光电催化装置为方形结构；所述镀膜催化反应器包括光阳极与光阴极；所述光阳极表面涂覆TiO₂；所述光阴极为石墨电极；两块光电极水平放置于所述光电催化装置内，且光阳极位于光阴极的竖直上部。

进一步地，所述光电催化装置的方形结构的顶端安装石英玻璃。

进一步地，还包括光敏电阻与继电器；所述光敏电阻、继电器、紫外灯串联。

进一步地，所述紫外灯安装在能够收拢的紫外灯的装置中。

3.有益效果：

（1）通过本耦合装置出水口排出的水是经过微生物燃料电池MFC和光电催化装置处理完全的净化水，如果净化的是农产品加工污水可以直接排放于附近的江河湖泊，如果是家庭生活污水可以循环利用。

（2）在本装置中将MFC产生的电能用于光电催化装置所需，将电能通过紫外光灯转换为光能。利用清洁廉价的太阳光能转换成化学能来对污水进行处理。这种能源合理转变、循环利用可减少能源流失、增大能源的利用效率。

（3）本装置利用光电催化技术，光与电的协调作用能大大节省反应中的能耗。

（4）光电催化装置中电极制作简单，稳定性好，使用寿命长，采用光电协同催化连续工艺处理，降解速率高，避免催化剂回收难的问题，最大限度的利用了太阳能。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本申请中的微生物燃料电池工作原理图；

图3为本申请中的光电催化装置结构简图。

附图标记说明：微生物燃料电池污水进水口1、微生物燃料电池污水进水口阀门2、光电催化装置进水口阀门3、净化水出水口阀门4、污水5、微生物燃料电池的阳极6、微生物燃料电池MFC的阴极7、充电控制器8、微生物质子交换膜9、含有希瓦氏菌的混合菌群10、微生物燃料电池11、阳极室12、阴极室13、蓄电池14、离心式水泵16、光电催化装置17、太阳光18、石英玻璃19、光阳极20、光阴极21、净化水出水口22、紫外光灯23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1所示，一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：包括微生物燃料电池11与光电催化装置17；污水5通过水路进入微生物燃料电池11；所述微生物燃料电池11包括通过微生物质子交换膜9分隔开的阳极室12和阴极室13；污水由阳极室进入，由阴极室通过离心式水泵16抽出；所述阳极室内设置阳极电极6；所述阴极室设置阴极电极7；所述阳极室中液体内部放置包含希瓦氏菌的混合菌群10；所述阳极电极与阴极电极在水路外端通过导线相连；连接阳极电极与阴极电极的导线与充电控制器8相连；所述充电控制器与蓄电池电连接并控制对蓄电池14是否充电；离心式水泵16将经过微生物燃料电池的污水通过水管输入光电催化装置中；所述光电催化装置包括镀膜催化反应器；所述镀膜催化反应器与蓄电池电连；所述光电催化装置还包括紫外光灯23；所述紫外光灯与蓄电池电连，且能够照射到镀膜催化反应器。

如附图2所示的为微生物燃料电池；所述微生物燃料电池的阴、阳极电池的材料均为多孔型掺硼金刚石薄膜电极；其中阴、阳极电池均为3组电极平行排列；所述每组阴、阳电极通过导线与充电控制器连接成完整的闭合回路。微生物燃料电池阳极室内加入含有希瓦氏菌的混合菌群，含有有机物的污水作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体（氧气）反应生成水。阴阳电极与负载组成完整闭合电回路，产生电能。充电控制器通过电线将产生的电能传输至蓄电池对蓄电池进行充电，实现了蓄电池将微生物燃料电池所产生的电能储蓄起来的目的。存储在蓄电池中的电能用于对光电反应器施加偏压和对紫外光灯的供电。

进一步地，所述质子交换膜为PEM9。这样能够保证只允许质子透过，而基质、细菌和氧气等都被截留在阳极室。

如附图3所示的为光电催化装置；所述光电催化装置为方形结构；所述镀膜催化反应器包括光阳极20与光阴极21；所述光阳极表面涂覆TiO₂；所述光阴极为石墨电极；两块光电极水平放置于所述光电催化装置内，且光阳极位于上部。长方体左右两侧设有通风口，流动的空气给装置带来光电催化反应必不可少的氧气。

在光电催化装置的中，其方形结构的顶端安装石英玻璃19。太阳光透过石英玻璃照射到光电催化装置的光阳极表面。

在光电催化装置的中，还包括光敏电阻与继电器；所述光敏电阻、继电器、紫外灯串联。途中没有画出。紫外光灯是用于阳光不充足尤其是阴天下雨天时的补充光照装置。紫外光灯安装有灵敏度合适的光敏电阻、继电器。在光照充足的时候光敏电阻电阻变小、电路中电流变大，能驱动继电器，关闭紫外光灯；在光照不充足时，光敏电阻增大，电路中电流变小，不能驱动继电器，继电器就会接通另一开关，从而打开紫外光灯。不需要紫外光灯时将其收拢放在所述反应器的左侧，工作时由所述蓄电池对其供电。所述石英玻璃19具有极高的光谱透射，不会因辐射线损伤。保证光源能足够多的照射到光阳极上。

使用上述一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置进行处理的步骤:

步骤一：打开阀门2，让含有机物的污水从1处进入微生物燃料电池MFC中，并且将蓄电池连入到电路中对蓄电池充电。

步骤二：打开微生物燃料电池MFC出水口的离心式水泵16与阀门3，将预处理完的污水运输到光电催化装置中。

步骤三：蓄电池给光电催化装置中的光电反应器施加偏压，同时太阳光18通过石英玻璃照射在光阳极上。

步骤四：打开净化水出水口阀门4，净化水流出。

需要说明的是：第一次使用该装置时，由于蓄电池中并没有电能，因此在进行完第一步后需等待半个小时到一个小时。以后使用时则不用等待太多时间。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1.一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：包括微生物燃料电池与光电催化装置；污水通过水路进入微生物燃料电池；所述微生物燃料电池包括通过微生物质子交换膜分隔开的阳极室和阴极室；污水由阳极室进入，由阴极室通过离心式水泵抽出；所述阳极室内设置阳极电极；所述阴极室设置阴极电极；所述阳极室中液体内部放置包含希瓦氏菌的混合菌群；所述阳极电极与阴极电极在水路外端通过导线相连；连接阳极电极与阴极电极的导线与充电控制器相连；所述充电控制器与蓄电池电连接并控制对蓄电池是否充电；离心式水泵将经过微生物燃料电池的污水通过水管输入光电催化装置中；所述光电催化装置包括镀膜催化反应器；所述镀膜催化反应器与蓄电池电连；所述光电催化装置还包括紫外光灯；所述紫外光灯与蓄电池电连，且能够照射到镀膜催化反应器。

2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：所述微生物燃料电池的阴、阳极电池的材料均为多孔型掺硼金刚石薄膜电极；其中阴、阳极电池均为3组电极平行排列；所述每组阴、阳电极通过导线与充电控制器连接成完整的闭合回路。

3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：所述质子交换膜为PEM9。

4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：所述光电催化装置为方形结构；所述镀膜催化反应器包括光阳极与光阴极；所述光阳极表面涂覆TiO₂；所述光阴极为石墨电极；两块光电极水平放置于所述光电催化装置内，且光阳极位于上部。

5.根据权利要求4所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：所述光电催化装置的方形结构的顶端安装石英玻璃。

6.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：还包括光敏电阻与继电器；所述光敏电阻、继电器、紫外灯串联。

7.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池与光电催化技术的耦合装置，其特征在于：所述紫外灯安装在能够收拢的紫外灯的装置中。