CN209537276U - 一种光电催化微生物电解池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光电催化微生物电解池装置。属于微生物电解池领域。所述装置包括电池外壳本体；所述电池外壳本体的一侧设有光源。其特征是：所述有机玻璃室由阳极室和阴极室组成；所述阳极室和阴极室通过阳离子交换膜和胶垫隔开，并由螺丝固定；所述阳极室内设有生物阳极；所述阴极室内设有光电阴极；所述生物阳极与所述光阴极连接外接电阻并通过钛导线相连；所述光阴极包括掺锡导电玻璃(ITO)上生长NiO纳米片和g‑C₃N₄纳米片和CQDs纳米颗粒；所述装置中的阳极聚集的产电微生物可以利用污泥中的有机质为底物进行催化代谢并产电；所述装置阳极产生电子补充光催化阴极电极通过灯源照射产生的光生空穴，实现阴极产氢。

Description

一种光电催化微生物电解池装置

技术领域

本实用新型涉及微生物电解池领域，更具体地说，涉及一种微生物光电化学电池。

背景技术

目前，全国大多数的污水处理厂使用活性污泥法来处理污水，过程中会产生大量的剩余污泥。随着现代城市化的快速发展，生活污水的处理量逐年递增，产生剩余污泥的量也快速增长。剩余污泥中含有难降解有机物以及大量的水分等，具有易腐烂，含水率高，成分复杂和体积大等特点。治理剩余污泥的费用也比较高，污泥的处理费用约占所有费用的20％-50％，有的处理厂甚至高达70％。正是由于现在处理污泥过程能耗高、投入大，使得大量未经处理的剩余污泥简单填埋或者任意堆放，这样不但会对周围的环境造成二次污染，而且还会浪费其中可利用的生物质能源。

另一方面，全球能源危机成为21世纪环境问题之一。氢气作为一种能量密度高的清洁能源，因其清洁、能量密度高、无污染等一系列优点而成为关注的焦点，氢能具有清洁、无污染、可再生、能量密度高(122kJ/g，约是汽油的3倍)、便于储存和运输等优点，因而被认为是一种最有前景的能量载体。所以，开发新的低碳制氢技术已经成为了人们关注的焦点。

微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)法生物制氢技术是利用微生物代谢产氢与微生物电化学系统结合产生的一种新兴制氢技术。MEC是一种新型的污染物处理和能量回收可同时进行的新型环境生物技术。其原理是，在 MEC反应器阳极的一些产电细菌，可以利用小分子的有机化合物(如乙醇，乙酸，丁酸等)将电子传递给导电固体，通过外电路，电子到达阴极，在阴极与质子结合产生氢气。

本使用新型的目的就是在可见光条件下，利用本装置阳极室进行污泥降解处理，在阴极室实现产氢。从而实现降解污染物的同时回收能量。

实用新型内容

1、拟解决的技术问题

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种微生物电解池，它既可以实现通过微生物产电和降解有机物又可以光照阴极产氢。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种光电催化微生物电解池，包括电池外壳本体，所述外壳本体的一侧设有光源；所述电池外壳本体内设阳极室和阴极室；所述阳极室和阴极室通过阳离子交换膜和胶垫隔开；所述阳极室设有生物阳极；所述阴极室设有光电阴极；所述光电阴极包括掺锡导电玻璃(ITO)负载NiO纳米片和g-C₃N₄纳米片和CQDs纳米颗粒；所述生物阳极和光电阴极通过导线连接；所述导线上连接有外接电阻。阳极微生物能够分解有机物产生质子和电子，质子通过质子膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，在光阴极作用下质子跟电子结合产生氢气。

所采用的阴极材料NiO纳米片通过水热法合成，ITO形成长约2～3μm纳米片；所述g-C₃N₄纳米片通过高温热缩聚法制备；所述CQDs通过阳极氧化法制备，颗粒粒径为2～10nm，具有较强的荧光性。

3.有益效果

相比于现在技术，本实用新型的优点在于：

(1)本方案阳极微生物能够催化代谢有机物，吸收化学能来满足自身生命活动的需求，并能产生电压，向光阴极传送电子，在光阴极与质子结合产生氢气。

(2)光电阴极ITO水热法生长NiO纳米片，可以有效增大比表面积，从而有更多的活性位点参与化学反应。

(3)g-C₃N₄具有中等带隙(2.7eV),可以吸收的光高达450nm。另外，g- C₃N₄具有较高的化学和稳定性，对产氢具有良好的光催化活性。CQDs纳米颗粒层的大小为2～10nm，具有较强的荧光性和电催化活性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的光电阴极的结构示意图。

1电阻、2钛导线、3橡胶塞、4生物阳极、5阳极室、6阳离子交换膜、7 胶垫、8螺丝、9光电阴极、10阴极室、11光源、12掺铟导电玻璃、13NiO 纳米片、14g-C₃N₄纳米片、15CQDs纳米颗粒。

具体实施方式

以下将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述；显然；所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本实用新型保护的范围。实施例1：

请参阅图1-2，一种光电催化微生物电解池，电池外壳本体，电池外壳本体的一侧设有光源，电池外壳本体内设有阳极室和阴极室。阳极室和阴极室通过阳离子交换膜和胶垫隔开，阳极室内设有生物阳极，阴极室内设有光电阴极。光电阴极包括掺锡导电玻璃(ITO)负载NiO纳米片和g-C₃N₄纳米片和CQDs 纳米颗粒。NiO纳米片通过水热法合成，ITO形成长约2～3μm纳米片，g-C₃N₄纳米片通过高温热缩聚法制备，具有优异的热稳定性和化学稳定性，CQDs通过阳极氧化法制备，颗粒粒径为2～10nm，具有较强的荧光性。生物阳极和光电阴极通过钛导线连接，导线上连接有外接电阻。

以上所述；仅为本实用新型较佳的具体实施方案；但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内；根据本实用新型的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种光电催化微生物电解池装置，包括电池外壳本体，所述电池外壳本体设有阳极室(5)和阴极室(10)，由螺丝(8)固定；所述阳极室和阴极室通过阳离子交换膜(6)和胶垫(7)隔开，其特征在于：所述阳极室(5)内设有生物阳极(4)；所述阴极室(10)内设有光电阴极(9)；所述光电阴极包括掺锡导电玻璃(ITO)(12)负载NiO纳米片(13)和g-C₃N₄纳米片(14)和CQDs纳米颗粒(15)；所述生物阳极(4)和光电阴极(9)通过钛导线(2)连接，所述钛导线(2)从橡胶塞(3)穿过连接外接电阻(1)，所述电池外壳本体的一侧设有光源(11)。

2.根据权利要求1所述的一种光电催化微生物电解池装置，其特征在于：所述NiO纳米片(13)通过水热法生长在ITO(12)上，ITO形成长约2～3μm纳米片阵列。

3.根据权利要求1所述的一种光电催化微生物电解池装置，其特征在于：所述g-C3N4纳米片(14)通过高温热缩聚法制备而成；所述CQDs纳米颗粒(15)通过阳极氧化法制备而成，颗粒粒径为2～10nm。