JP2007095471A - Anode for bio-generation, and method and device of power generation utilizing this - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、廃水、廃液、し尿、食品廃棄物、その他の有機性廃棄物、汚泥などの有機性物質またはその分解物を基質とし、その基質と空気中の酸素との酸化還元反応を、嫌気性生物による酸化反応と、酸素の還元反応に分離することによって発電を行う生物発電技術に関する。 The present invention uses an organic substance such as waste water, waste liquid, human waste, food waste, other organic waste, sludge, or a decomposition product thereof as a substrate, and an anoxic reaction between the substrate and oxygen in the air is anaerobic. The present invention relates to a biopower generation technology that generates power by separating an oxidation reaction by a sex organism and a reduction reaction of oxygen.
廃水、廃液、し尿、食品廃棄物、その他の有機性廃棄物または汚泥(以下、「含水有機性物質」とする)を分解して利用可能なエネルギーを取り出す方法として、メタン発酵を始めとする嫌気発酵法によってメタン等を生産して、これを用いて発電を行う方法や、生物の嫌気呼吸反応から直接電気を取り出す生物電池法などが考案されている。 Anaerobic, including methane fermentation, as a method of decomposing waste water, waste liquid, human waste, food waste, other organic waste or sludge (hereinafter referred to as “water-containing organic substance”) and extracting available energy There have been devised methods such as producing methane by fermentation and generating electricity using this, and a biobattery method for taking out electricity directly from the anaerobic respiratory reaction of organisms.
しかしながら、メタン発酵を始めとする嫌気発酵法によりメタン、エタノール、水素などを生産し、これらを用いて発電を行う方法は、生物による物質生産過程と生産物を燃料とした発電過程の2段階のステップを必要とするため、エネルギー効率が悪く、装置も複雑になる問題がある。 However, the method of producing methane, ethanol, hydrogen, etc. by anaerobic fermentation methods such as methane fermentation, and generating electricity using these, is a two-stage process of material production by organisms and power generation process using products as fuel. Since steps are required, there is a problem that energy efficiency is poor and the apparatus is complicated.
一方、微生物を利用して、アノード周辺の電子供与体からの電子を、アノードとカソードを回路として導通することでカソード周辺の電子受容体(主に溶存酸素)に供与して電流を得る方法が報告されている(特許文献1、2、及び3)。これらの方法ではカソードを水中に設置するため、水中での溶存酸素の拡散速度が全体の反応の律速となる可能性が高い。すなわち、水中での溶存酸素の還元反応は水中での酸素の拡散速度に依存するため、無撹拌時の電極単位表面積当たりの電流量は過電圧に関わりなく20μA/cm2が最大値となる。これは空気中の酸素を用いた場合の値(過電圧200mVで約300mA/cm2)と比較して著しく小さいため、含水有機性物質の酸化及び発電の制限因子となることがわかる。
On the other hand, there is a method in which an electric current is obtained by donating electrons from an electron donor around the anode to an electron acceptor (mainly dissolved oxygen) around the cathode by conducting electrons from the anode and the cathode as a circuit using microorganisms. Have been reported (
また、別の例では微生物に電子メディエータ(電子伝達の媒体物質)を加えて、微生物を飢餓状態に維持することによって効率良く電子を取り出す方法が提案されており(特許文献4)、この文献中には、カソードとして酸素または空気極が使用できると記載されている。しかしながら当該文献中には、空気極を用いる場合の具体的な装置の構造などの記載および実施例はなく、問題を解決するための手段として当業者が実施できるようには開示されていない。 In another example, a method of efficiently extracting electrons by adding an electron mediator (electron transfer medium substance) to a microorganism and maintaining the microorganism in a starved state has been proposed (Patent Document 4). Describes that oxygen or an air electrode can be used as a cathode. However, the document does not include a description and examples of the specific structure of the apparatus when using an air electrode, and does not disclose that a person skilled in the art can implement as a means for solving the problem.
電子メディエータを利用する生物電池技術として、含水有機性物質又はその分解物を基質として、基質と酸素との酸化還元反応を、嫌気性微生物による酸化反応と、酸素の還元反応に分離することによって発電を行う方法が提案されている(特許文献3及び非特許文献1〜3)。しかし、これらの方法において用いられている電子メディエータの標準電極電位は、一般に生物電池反応に用いられる嫌気性微生物の最終電子受容物質の標準電極電位と重ならず、有効な電位のカスケードを形成できないという問題がある。例えば、これまでに提案されている電子メディエータとその標準電極電位は、下記表1のとおりである。
As a biological battery technology that uses electron mediators, water-containing organic substances or their decomposition products are used as substrates, and the oxidation-reduction reaction between the substrate and oxygen is separated into an oxidation reaction by anaerobic microorganisms and an oxygen reduction reaction. Have been proposed (
一方、一般的な生物電池反応に用いられる嫌気性微生物である硫黄還元菌、酸化鉄(III)還元菌の最終電子受容物質である硫黄及び鉄の標準電極電位は、下記表2のとおりである。 On the other hand, the standard electrode potentials of sulfur and iron, which are the final electron accepting substances of sulfur-reducing bacteria and iron (III) -reducing bacteria, which are anaerobic microorganisms used in general biological battery reactions, are as shown in Table 2 below. .
表2より、硫黄還元菌の持つ電子伝達系の末端還元酵素(硫黄還元酵素)は、-0.28Vの標準電極電位を持つ物質を還元することができ、一方、酸化鉄(III)還元菌の持つ電子伝達系の末端還元酵素(酸化鉄(III)還元酵素)は、+0.20Vの標準電極電位を持つ物質を還元することができることがわかる。これらの末端還元酵素は微生物の外膜やペリプラズムに存在しており、菌体外の酸化鉄や0価の硫黄を還元できることから効率的な生物発電のために有効な触媒となり得る。ところが、これまで提案されている電子メディエータの標準電極電位は、表1に示すように、A〜Gの電子メディエータのいずれも鉄還元の標準電極電位よりも低いので、酸化鉄(III)還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位のカスケードを形成できない。同様に、表1C〜Gの電子メディエータは硫黄還元の標準電極電位よりも低いので、硫黄還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位のカスケードを形成できない。表1A及びBの電子メディエータは硫黄還元の標準電極電位よりも高いので、理論上は硫黄還元酵素による還元が可能であるが、電位差が0.3V以上もあり、生物学的な電子伝達が困難である可能性が高い。その上、発電効率を高めるためにはカソードの酸素還元反応に対してできるだけ大きな電位差を生じさせることが求められるが、電子メディエータの電位が高いので0.3V以上の電位差を損失してしまい、エネルギー損失が大きくなる。 From Table 2, the terminal reductase (sulfur reductase) of the electron transfer system possessed by sulfur-reducing bacteria can reduce substances with a standard electrode potential of -0.28V, while iron (III) -reducing bacteria. It can be seen that the terminal reductase (iron (III) oxide reductase) of the electron transport system has the ability to reduce substances with a standard electrode potential of + 0.20V. These terminal reductases are present in the outer membrane and periplasm of microorganisms and can reduce iron oxide and zero-valent sulfur outside the cells, so that they can be effective catalysts for efficient bioelectric generation. However, as shown in Table 1, the standard electrode potential of the electron mediators that have been proposed so far is lower than the standard electrode potential of iron reduction, so that iron (III) reductase is available. -An effective potential cascade cannot be formed between the electron mediator and the anode. Similarly, since the electron mediators in Tables 1C to G are lower than the standard electrode potential for sulfur reduction, an effective potential cascade cannot be formed between the sulfur reductase-electron mediator-anode. Since the electron mediators in Tables 1A and B are higher than the standard electrode potential for sulfur reduction, they can theoretically be reduced by sulfur reductase, but the potential difference is 0.3 V or more, and biological electron transfer is difficult. There is a high possibility. In addition, in order to increase the power generation efficiency, it is required to generate as large a potential difference as possible with respect to the oxygen reduction reaction of the cathode. However, since the potential of the electron mediator is high, the potential difference of 0.3 V or more is lost, resulting in energy loss. Becomes larger.
そこで、硫黄還元菌を用いた生物電池系において、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQ-2,6-DS)を嫌気性域に添加することにより電子伝達効率の向上を試みる提案がなされた(非特許文献2)。AQ-2,6-DSの標準電極電位は-0.185Vであり、硫黄還元酵素−電子メディエータ間で有効な電位のカスケードを形成するのに適当な物質であると考えられる。しかし、提案されている系においては、AQ-2,6-DSは液相中に添加されただけで、アノード(酸化電極)に担持されていないため、電極との反応性が低く、添加効果は24%の電流値増加に留まっている。また、連続的に発電する場合には、嫌気性域内の基質液を更新する際に電子メディエータも一緒に系外に排出されてしまい、常に電子メディエータを添加し続けなければならない、という問題がある。 Therefore, in a biological battery system using sulfur-reducing bacteria, a proposal was made to try to improve electron transfer efficiency by adding anthraquinone-2,6-disulfonic acid (AQ-2,6-DS) to the anaerobic region. (Non-patent document 2). The standard electrode potential of AQ-2,6-DS is -0.185 V, which is considered to be a suitable substance for forming an effective potential cascade between sulfur reductase and electron mediator. However, in the proposed system, AQ-2,6-DS is only added in the liquid phase and is not supported on the anode (oxidation electrode). Is only 24% increase in current value. In addition, in the case of continuous power generation, there is a problem that when the substrate solution in the anaerobic region is renewed, the electron mediator is also discharged out of the system together, and the electron mediator must be continuously added. .
また、ニュートラルレッドをアノードにアミド結合を用いて担持する試みが提案されている(非特許文献3)。この提案によれば、グラファイト電極の酸化によりカルボキシ基を導入し、ジシクロヘキシルカルボジイミドの共存下でニュートラルレッドと反応させてアミド結合を形成する際、下記構造式: In addition, an attempt to support neutral red on the anode using an amide bond has been proposed (Non-patent Document 3). According to this proposal, when a carboxy group is introduced by oxidation of a graphite electrode and reacted with neutral red in the presence of dicyclohexylcarbodiimide to form an amide bond, the following structural formula:
中、矢印で示す9位の第二級アミンにカルボキシ基が結合すると考えられる。ところが、グラファイトに結合したニュートラルレッドのサイクリックボルタンメトリにおける電流値ピークは、-0.42V付近に認められ、遊離の状態での標準電極電位-0.325Vよりも0.1V程度低下している。この変動により、生物による電子メディエータの利用がさらに困難になる。これは、9位の第二級アミンに化学修飾を施すことにより、ニュートラルレッドの標準電極電位が大幅に変動したためと考えられる。 Among them, it is considered that a carboxy group is bonded to the 9-position secondary amine indicated by an arrow. However, the current peak in neutral voltammetry of neutral red bonded to graphite is observed around -0.42V, which is about 0.1V lower than the standard electrode potential of -0.325V in the free state. This variation makes it more difficult for organisms to use electronic mediators. This is considered to be because the standard electrode potential of neutral red was greatly changed by chemically modifying the 9-position secondary amine.
すなわち、電子メディエータを用いた生物発電技術において、微生物の末端還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位カスケードを形成し、活性化過電圧の低い導電基材を利用する技術が求められている。 That is, in the bioelectric power generation technology using an electron mediator, there is a demand for a technology that forms an effective potential cascade between a terminal reductase of a microorganism, an electron mediator, and an anode, and uses a conductive substrate having a low activation overvoltage.
本発明の課題は、上記のような従来技術の問題点を解決し、簡易な装置・方法により、効率的に生物発電ができる生物発電用のアノードを提供すること、より具体的には、嫌気性生物の最終還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位カスケードを形成することを可能として、結果的に十分低いアノード電位を得て、含水有機性物質から効率的に電気エネルギーを得ることができる生物発電用アノード、その製造方法、並びにこれを利用する発電方法及び装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide an anode for bioelectric power generation that can efficiently perform bioelectric power generation with a simple device and method, more specifically, anaerobic. It is possible to form an effective potential cascade between the final reductase, the electron mediator, and the anode of the sex organism, and as a result, a sufficiently low anode potential can be obtained to efficiently obtain electric energy from the water-containing organic substance. An anode for bioelectric power generation, a method for producing the same, and a power generation method and apparatus using the same.
上述したように、微生物の末端還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位カスケードを形成するためには、電子メディエータの電位は硫黄還元の標準電極電位よりも高い-0.28V以上であることが望ましい。その一方、実用的な発電を行うことを目的とした場合には、カソードとの電位差をなるべく大きく取るために、アノードの電位はできるだけ低い値であることが必要であると考えられる。 As described above, in order to form an effective potential cascade between the terminal reductase, the electron mediator, and the anode of the microorganism, the potential of the electron mediator must be −0.28 V or higher, which is higher than the standard electrode potential for sulfur reduction. desirable. On the other hand, in the case of aiming at practical power generation, it is considered that the anode potential needs to be as low as possible in order to make the potential difference from the cathode as large as possible.
これらの知見から、発明者らは嫌気性微生物の最終電子受容物質の標準電極電位を指標として電子メディエータを選択し、さらにこれをアノード表面に固定化し、必要に応じてさらにアミノ基やスルホン酸基などで修飾を行うことにより、pH7におけるアノードの標準電極電位を-0.13V〜-0.28Vの範囲内で、なるべく-0.28Vに近い電位になるよう設定することを考案した(特許文献5)。この発明においては、アノード基材としてグラファイト、多孔質グラファイト、金、白金、または金属酸化物(TiO2など)を用い、これらにアミド結合、金または白金-イオウ結合またはシランカップリングによって電子メディエータを固定化する方法が開示されている。 Based on these findings, the inventors selected an electron mediator using the standard electrode potential of the final electron acceptor of anaerobic microorganisms as an index, and further immobilized it on the anode surface, and if necessary, further added an amino group or a sulfonic acid group. The standard electrode potential of the anode at pH 7 was devised to be as close to -0.28V as possible within the range of -0.13V to -0.28V (Patent Document 5). In the present invention, graphite, porous graphite, gold, platinum, or metal oxide (such as TiO 2 ) is used as an anode substrate, and an electron mediator is attached to these by amide bond, gold or platinum-sulfur bond or silane coupling. A method for immobilization is disclosed.
そして、この従来得ている知見に基づいてさらに研究を重ねたところ、電子メディエータを、導電性ファイバーを介して導電性基材に導入することにより、上記目的を従来の発明よりもさらに効果的に達成しうることを知見した。 Then, after further research based on the knowledge obtained in the past, by introducing the electron mediator to the conductive base material through the conductive fiber, the above object is more effectively achieved than the conventional invention. It was found that it could be achieved.
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、本発明によれば、表面から突出する導電性ファイバーを有する導電性基材を含み、該導電性ファイバーには電子メディエータが固定化されており、pH7における標準電極電位(E0’)が-0.13V〜-0.28Vの範囲内にあることを特徴とする生物発電用アノードが提供される。 The present invention has been made based on the above findings, and according to the present invention, the present invention includes a conductive base material having a conductive fiber protruding from the surface, and an electron mediator is immobilized on the conductive fiber. A bioelectric power generation anode characterized in that a standard electrode potential (E 0 ′) at pH 7 is in the range of −0.13 V to −0.28 V is provided.
また、本発明によれば、嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物、有機性物質を含有する溶液もしくは懸濁液、本発明の生物発電用アノードを含む嫌気性域と、分子状酸素及びカソードを含む好気性域と、該嫌気性域及び該好気性域とを画定する隔膜と、を具備し、該アノード及び該カソードを電力利用機器に電気的に接続して閉回路を形成し、該嫌気性域内での有機性物質を電子供与体とする酸化反応と該好気性域内での酸素を電子受容体とする還元反応とを利用して発電する発電装置が提供される。 Further, according to the present invention, a microorganism that can grow in an anaerobic atmosphere, a solution or suspension containing an organic substance, an anaerobic region including the bioelectric power generation anode of the present invention, molecular oxygen, and a cathode. Including an aerobic region, a diaphragm defining the anaerobic region and the aerobic region, and electrically connecting the anode and the cathode to a power utilization device to form a closed circuit, Provided is a power generation apparatus that generates electricity using an oxidation reaction using an organic substance as an electron donor in a sex region and a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor in the aerobic region.
また、本発明によれば、嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物、有機性物質を含有する溶液もしくは懸濁液、本発明の生物発電用アノードを含む嫌気性域と、分子状酸素及びカソードを含む好気性域と、該嫌気性域及び該好気性域とを画定する隔膜と、を具備し、該アノード及び該カソードを電力利用機器に電気的に接続して閉回路を形成し、該嫌気性域内での有機性物質を電子供与体とする酸化反応と該好気性域内での酸素を電子受容体とする還元反応とを利用して発電する発電方法が提供される。 Further, according to the present invention, a microorganism that can grow in an anaerobic atmosphere, a solution or suspension containing an organic substance, an anaerobic region including the bioelectric power generation anode of the present invention, molecular oxygen, and a cathode. Including an aerobic region, a diaphragm defining the anaerobic region and the aerobic region, and electrically connecting the anode and the cathode to a power utilization device to form a closed circuit, There is provided a power generation method for generating electric power by utilizing an oxidation reaction using an organic substance in the sex region as an electron donor and a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor in the aerobic region.
以下、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の生物発電用アノードは、表面から突出するCNTまたはVGCFなどの導電性ファイバーを有する導電性基材と、該CNTまたはVGCFに固定化された電子メディエータと、を含み、pH7における標準電極電位(E0’)が-0.13V〜-0.28Vの範囲内、好ましくは-0.15V〜-0.27Vの範囲内にあることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The bioelectric power generation anode of the present invention comprises a conductive substrate having conductive fibers such as CNT or VGCF protruding from the surface, and an electron mediator fixed to the CNT or VGCF, and a standard electrode potential at pH 7 (E 0 ′) is in the range of −0.13 V to −0.28 V, preferably in the range of −0.15 V to −0.27 V.
以下、更に詳述する。
本発明において用いることができる導電性基材としては、生物発電装置において用いられる電極基材であって表面から導電性ファイバーが突出し得る電極基材であることが好ましく、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン、CNT、VGCFなどの粉体素材を固結させたもの、アルミニウム、ニッケル、鉄、銅、金、白金などの金属、ステンレス鋼、モネル(スペシャルメタル社、登録商標)などのニッケル−銅合金、鉄-シリコン合金、カルシウム-シリコン合金、アルミニウム-亜鉛-シリコン合金、モリブデン-バナジウム合金などの合金を好ましく挙げることができる。特にグラファイト、カーボンブラック、フラーレン、CNT、VGCFなどの炭素六員環を含む導電性基材を用いた場合、その表面にCVD法または電気泳動法で固定化するCNTまたはVGCFとの間で強固な結合を形成しやすいのでより好ましい。上記のうちカーボンブラック、フラーレン、CNT、VGCFは通常粉体として供給されるため、電極基材として使用する場合は、押し固めて成形し焼成するか、石油または石炭ピッチを含浸させて焼成するか、ポリアミン(日本触媒製エポミン(登録商標)等のポリエチレンイミン、ポリアリルアミン)、ポリアミド(ポリアクリル酸)などの接着力のある樹脂をメタノールなどの溶媒で希釈したものと混合して接着成形するか、あるいはナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製5%ナフィオン117溶液)を含浸させて50kgf/cm2程度の圧力をかけつつ170℃で固結させるなどの方法で成型することができる。
The details will be described below.
The conductive base material that can be used in the present invention is preferably an electrode base material that can be used in a bioelectric power generation apparatus and from which the conductive fiber can protrude from the surface, such as graphite, carbon black, fullerene, Solidified powder materials such as CNT and VGCF, metals such as aluminum, nickel, iron, copper, gold, platinum, stainless steel, nickel-copper alloys such as Monel (Special Metal, registered trademark), iron Preferred examples include alloys such as -silicon alloys, calcium-silicon alloys, aluminum-zinc-silicon alloys, and molybdenum-vanadium alloys. In particular, when a conductive base material containing a carbon six-membered ring such as graphite, carbon black, fullerene, CNT, or VGCF is used, it is strong between CNT or VGCF that is immobilized on the surface by CVD or electrophoresis. It is more preferable because a bond is easily formed. Among the above, carbon black, fullerene, CNT, and VGCF are usually supplied as powders. When used as an electrode base material, do they need to be compacted and then fired or impregnated with petroleum or coal pitch? Or adhesive molding such as polyamine (polyethyleneimine such as Epomin (registered trademark) made by Nippon Shokubai, polyallylamine) or polyamide (polyacrylic acid) diluted with a solvent such as methanol. Alternatively, it can be molded by a method such as impregnation with a Nafion (registered trademark) solution (5% Nafion 117 solution manufactured by DuPont) and consolidation at 170 ° C. while applying a pressure of about 50 kgf / cm 2 .
また、導電性基材としては、上述した材料からなる基材にさらに被覆を施したものも好ましく用いられる。被覆物としては、電解酸化(多孔質)アルミニウム、多孔質ニッケル、多孔質ポリシランフィルムなどが好ましく用いられる。特に、電解酸化アルミニウム及び多孔質ポリシランフィルムはその孔径が数ナノメートルから数百ナノメートルであってCNTやVGCFの大きさと適合し、また孔が被覆表面から底部の導電性基材表面まで貫通している特徴を持つためCNTやVGCFと導電性基材との間の電気抵抗が少なく、好ましいアノードを形成することができる。 In addition, as the conductive base material, a base material made of the above-described material and further coated is preferably used. As the coating, electrolytically oxidized (porous) aluminum, porous nickel, porous polysilane film and the like are preferably used. In particular, electrolytic aluminum oxide and porous polysilane film have a pore size of several nanometers to several hundred nanometers, which is compatible with the size of CNT and VGCF, and the pores penetrate from the coated surface to the bottom conductive substrate surface. Therefore, a favorable anode can be formed with low electrical resistance between the CNT or VGCF and the conductive substrate.
また、ポリシランなどの非導電性の物質を被膜材料として用いる場合には、予め該被膜材料にカーボンブラックなどの導電性の粉体を添加しておくことにより、形成後の多孔質被膜に導電性を持たせることができ、上記導電性ファイバーと導電性基材との間の電気抵抗を少なくすることもできる。 In addition, when a non-conductive substance such as polysilane is used as a coating material, a conductive powder such as carbon black is added to the coating material in advance, so that the porous film thus formed is conductive. And the electrical resistance between the conductive fiber and the conductive substrate can be reduced.
本発明に用いることができる導電性ファイバーとしては、電子メディエータとの電子伝達活性化過電圧が低いカーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)などが挙げられる。 Examples of the conductive fiber that can be used in the present invention include carbon nanotubes (CNT) and vapor-grown carbon fibers (VGCF) that have a low overvoltage for activating electron transfer with the electron mediator.
CNTまたはVGCFの直径は数ナノメートルから200ナノメートル程度、単層もしくは多層の六員環グラファイトシートチューブ構造を主として持つものが好ましい。また、カップスタック型のもの(例えばクレオス社製カルベールなど)も好ましい。単層カーボンナノチューブの場合は、電気抵抗の小さいグラファイトシートの巻き角度(キラリティー)を持つものがより好ましい。 The diameter of CNT or VGCF is preferably about several nanometers to 200 nanometers, and mainly has a single-layer or multilayer six-membered graphite sheet tube structure. Moreover, a cup stack type (for example, a carousel manufactured by Creos Corporation) is also preferable. In the case of single-walled carbon nanotubes, those having a winding angle (chirality) of a graphite sheet with low electrical resistance are more preferable.
導電性基材の表面に固定化された導電性ファイバーは、少なくとも導電性基材または被覆物の表面から10ナノメートル以上の長さに突出していることが望ましく、好ましくは100ナノメートル以上の長さで突出していることが望ましい。 The conductive fiber fixed on the surface of the conductive substrate desirably protrudes at least from the surface of the conductive substrate or coating to a length of 10 nanometers or more, and preferably has a length of 100 nanometers or more. It is desirable that it protrudes.
このようにアノード基材表面から突出した位置まで導電性ファイバーが到達し、そこに電子メディエータが固定化されることによって以下に述べるような好ましい影響がある。
すなわち、一般的な微生物の末端還元酵素は細胞膜の内側に向いており、電子伝達系より上流側の酸化還元物質も細胞膜に含まれていて、外膜によって電極からは隔離されている。一方、GeobacterやShewanellaなどの電極に最終電子伝達を行える微生物(電極活性な微生物)は、末端還元酵素が外膜上にあり、ここから電極または電子メディエータに電子を渡していると考えられている。しかしながら電極表面に電子メディエータを固定化し、その電子メディエータが末端還元酵素により還元可能な立体構造を持っていたとしても、まだ障害が残る可能性が有る。上述の電極活性な微生物群はいずれもグラム陰性菌であるが、グラム陰性菌の外膜の表面には少なくとも10nm程度の長さを持つ、六員環炭素が直鎖状につながったリポ多糖が林立しており、またリン脂質からなる外膜自体の厚さも8nm程度あり、さらに膜にはかなり凹凸があることが観察されている。末端還元酵素はこのリン脂質の膜上に存在すると考えられ、平滑な電極上に長さ1nmにも満たない電子メディエータを固定化したとして、物理的に末端還元酵素と接触できる効率は高くないと考えられる。ところが、上述したように突起した導電性ファイバーの表面に電子メディエータが化学的に結合していれば、固定化された電子メディエータは微生物の末端還元酵素と直接結合し、電子伝達系から電子を受け取ることが容易となり、電子伝達速度、すなわち発電速度を向上させることができる。
As described above, the conductive fiber reaches the position protruding from the surface of the anode base material, and the electron mediator is immobilized thereon, thereby having the following favorable effects.
That is, the terminal reductase of a general microorganism is directed to the inside of the cell membrane, the redox substance upstream of the electron transfer system is also contained in the cell membrane, and is isolated from the electrode by the outer membrane. On the other hand, in microorganisms such as Geobacter and Shewanella that can perform final electron transfer (electrode active microorganisms), terminal reductase is located on the outer membrane, and it is thought that electrons are transferred from here to the electrode or electron mediator. . However, even if an electron mediator is immobilized on the electrode surface and the electron mediator has a three-dimensional structure that can be reduced by a terminal reductase, there is still a possibility that an obstacle still remains. All of the above-mentioned electrode active microorganism groups are gram-negative bacteria, but the surface of the outer membrane of the gram-negative bacteria has a lipopolysaccharide having a length of at least about 10 nm and a straight chain of six-membered ring carbons. It is forested, and the thickness of the outer membrane made of phospholipid itself is about 8 nm, and it has been observed that the membrane is considerably uneven. Terminal reductase is thought to exist on the membrane of this phospholipid, and if an electron mediator with a length of less than 1 nm is immobilized on a smooth electrode, the efficiency of physical contact with the terminal reductase is not high. Conceivable. However, if the electron mediator is chemically bonded to the surface of the protruding conductive fiber as described above, the immobilized electron mediator directly binds to the terminal reductase of the microorganism and receives electrons from the electron transfer system. Thus, the electron transmission speed, that is, the power generation speed can be improved.
導電性基材の表面における導電性ファイバーの好ましい占有率は、固定化される導電性ファイバーの長さや官能基の密度により大きく変動する。目安としては、最終的に導入される電子メディエータのモル量に換算して導電性基材の投影面積当たり0.1μmol〜100μmol/cm2とするのが好ましい。 The preferable occupation ratio of the conductive fibers on the surface of the conductive substrate greatly varies depending on the length of the conductive fibers to be immobilized and the density of the functional groups. As a standard, it is preferable that the amount is 0.1 μmol to 100 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate in terms of the molar amount of the electron mediator to be finally introduced.
本発明において用いることができる電子メディエータは、標準電極電位が-0.13Vから-0.28Vの範囲内にあるか、もしくはアノードに固定化された後にアノードとしての標準電極電位が上記範囲内にあり、酸化型、還元型何れの状態においても環境中で安定である物質(酸化還元物質)で、生物の呼吸を阻害せず、生物によって容易に還元され得るものを好ましく挙げることができる。好ましくは、本発明において用いることができる電子メディエータは、アントラキノン誘導体、ナフトキノン誘導体、ベンゾキノン誘導体、イソアロキサジン誘導体からなる群より選択される酸化還元物質である。具体的には、アントラキノンカルボン酸類(AQC)、アミノアントラキノン類(AAQ)、ジアミノアントラキノン類(DAAQ)、アントラキノンスルホン酸類(AQS)、ジアミノアントラキノンスルホン酸類(DAAQS)、アントラキノンジスルホン酸類(AQDS)、ジアミノアントラキノンジスルホン酸類(DAAQ DS)、エチルアントラキノン類(EAQ)、メチルナフトキノン類(MNQ)、メチルアミノナフトキノン類(MANQ)、ブロモメチルアミノナフトキノン類(BrMANQ)、ジメチルナフトキノン類(DMNQ)、ジメチルアミノナフトキノン類(DMANQ)、ラパコール(LpQ)、ヒドロキシ(メチルブテニル)アミノナフトキノン類(ALpQ)、ナフトキノンスルホン酸類(NQS)、トリメチルベンゾキノン類(TMABQ)、フラビンモノヌクレオチドおよびこれらの誘導体からなる群より選ばれる1つ以上の酸化還元物質を挙げることができ、より具体的には、アントラキノン-2-カルボン酸(AQC)、1-アミノアントラキノン(AAQ)、1,5-ジアミノアントラキノン(DAAQ)、アントラキノン-2-スルホン酸(AQS)、1,5-ジアミノアントラキノン-2-スルホン酸(DAAQS)、アントラキノンジスルホン酸(AQDS)、1,5-ジアミノアントラキノンジスルホン酸(DAAQ DS)、2-エチルアントラキノン(EAQ)、2-メチル-1,4-ナフトキノン(MNQ)、2-メチル-5-アミノ-1,4-ナフトキノン(MANQ)、2-ブロモ-3-メチル-5-アミノ-1,4-ナフトキノン(BrMANQ)、2,3-ジメチル-1,4-ナフトキノン(DMNQ)、2,3-ジメチル-5-アミノ-1,4-ナフトキノン(DMANQ)、ラパコール(LpQ)、2-ヒドロキシ-3-(3-メチル-2-ブテニル)-5-アミノ-1,4-ナフトキノン(ALpQ)、1,2-ナフトキノン-4-スルホン酸(NQS)、2,3,5-トリメチルベンゾキノン(TMABQ)、フラビンモノヌクレオチド(FMN)およびこれらの誘導体からなる群より選ばれる物質を好ましく用いることができる。本発明において電子メディエータとして好ましく用いることができる物質の構造式を下記に示す。 The electron mediator that can be used in the present invention has a standard electrode potential in the range of −0.13 V to −0.28 V, or a standard electrode potential as an anode within the above range after being fixed to the anode, Preferable examples include substances (oxidation-reduction substances) that are stable in the environment in any state of oxidation and reduction, and that can be easily reduced by the organism without inhibiting the respiration of the organism. Preferably, the electron mediator that can be used in the present invention is a redox substance selected from the group consisting of anthraquinone derivatives, naphthoquinone derivatives, benzoquinone derivatives, and isoalloxazine derivatives. Specifically, anthraquinone carboxylic acids (AQC), aminoanthraquinones (AAQ), diaminoanthraquinones (DAAQ), anthraquinone sulfonic acids (AQS), diaminoanthraquinone sulfonic acids (DAAQS), anthraquinone disulfonic acids (AQDS), diaminoanthraquinone Disulfonic acids (DAAQ DS), ethylanthraquinones (EAQ), methylnaphthoquinones (MNQ), methylaminonaphthoquinones (MANQ), bromomethylaminonaphthoquinones (BrMANQ), dimethylnaphthoquinones (DMNQ), dimethylaminonaphthoquinones ( One or more selected from the group consisting of DMANQ), rapacol (LpQ), hydroxy (methylbutenyl) aminonaphthoquinones (ALpQ), naphthoquinonesulfonic acids (NQS), trimethylbenzoquinones (TMABQ), flavin mononucleotides and derivatives thereof More specifically, anthraquinone-2-carboxylic acid (AQC), 1-aminoanthraquinone (AAQ), 1,5-diaminoanthraquinone (DAAQ), anthraquinone-2-sulfonic acid (AQS), 1,5-diaminoanthraquinone-2-sulfonic acid (DAAQS), anthraquinone disulfonic acid (AQDS), 1,5-diaminoanthraquinone disulfonic acid (DAAQ DS), 2-ethylanthraquinone (EAQ), 2-methyl -1,4-naphthoquinone (MNQ), 2-methyl-5-amino-1,4-naphthoquinone (MANQ), 2-bromo-3-methyl-5-amino-1,4-naphthoquinone (BrMANQ), 2, 3-dimethyl-1,4-naphthoquinone (DMNQ), 2,3-dimethyl-5-amino-1,4-naphthoquinone (DMANQ), rapacol (LpQ), 2-hydroxy-3- (3-methyl-2- Butenyl) -5-amino-1,4-naphthoquinone (ALpQ), 1,2-naphthoquinone-4-sulfonic acid (NQS), 2,3,5-trimethylbenzoquinone (TMAB) Q), a substance selected from the group consisting of flavin mononucleotide (FMN) and derivatives thereof can be preferably used. Structural formulas of substances that can be preferably used as an electron mediator in the present invention are shown below.
次に、本発明の生物発電用アノードの製造方法について説明する。
本発明の生物発電用アノードの製造方法は、導電性基材を準備する前処理工程と、導電性基材に対して導電性ファイバーが突出するように導電性ファイバーを固定する導電性ファイバー固定工程と、導電性ファイバーに対して電子メディエータを固定化して導入する電子メディエータ導入工程とを行うことを特徴とする。
Next, the manufacturing method of the anode for bioelectric power generation of this invention is demonstrated.
The method for producing an anode for bioelectric power generation according to the present invention includes a pretreatment step of preparing a conductive substrate, and a conductive fiber fixing step of fixing the conductive fiber so that the conductive fiber protrudes from the conductive substrate. And an electron mediator introduction step of immobilizing and introducing the electron mediator to the conductive fiber.
以下、各工程について説明する。
<前処理工程>
前処理工程は、基材の少なくとも表面に存在するアルミニウム層に酸化電位を印加して、基材表面を多孔質化することを含むことが好ましい(第1の前処理)。
Hereinafter, each step will be described.
<Pretreatment process>
It is preferable that the pretreatment step includes applying an oxidation potential to the aluminum layer present on at least the surface of the substrate to make the surface of the substrate porous (first pretreatment).
また、前処理工程は、基材の表面に存在するポリシラン層に紫外線を照射し、基材表面を多孔質化することを含むことが好ましい(第2の前処理)。
このような前処理を行うことにより、多孔質被膜の部分が導電性ファイバーを保持するチャネルを形成するので、使用時に導電性ファイバーがアノードから脱落しにくくなると言う利点がある。
Moreover, it is preferable that a pre-processing process includes irradiating an ultraviolet-ray to the polysilane layer which exists in the surface of a base material, and making the base-material surface porous (2nd pre-processing).
By performing such a pretreatment, the porous coating portion forms a channel for holding the conductive fiber, so that there is an advantage that the conductive fiber is not easily dropped from the anode during use.
第1の前処理は、例えばアルミニウム導電性基材またはアルミニウムで被覆された導電性基材をアノードとして用い、0.3mol/Lのシュウ酸液中で40Vの電圧をかけて1時間以上酸化することにより、不規則な多孔質の電解酸化アルミニウム層を得る。これをそのまま使用しても良いが、より望ましくはさらに次に示す処理を施したものを使用するのが良い。この酸化アルミニウム層をいったんリン酸等で取り除いて、再び0.3mol/Lのシュウ酸液中で40〜80Vの電圧をかけて5分程度電解酸化することにより、均一な六角格子状の配列で100〜200nmのピッチの孔を形成すること等により行うことができる。 In the first pretreatment, for example, an aluminum conductive substrate or a conductive substrate coated with aluminum is used as an anode, and oxidation is performed in a 0.3 mol / L oxalic acid solution at a voltage of 40 V for 1 hour or more. Thus, an irregular porous electrolytic aluminum oxide layer is obtained. Although this may be used as it is, it is more preferable to use one that has undergone the following processing. This aluminum oxide layer is once removed with phosphoric acid or the like, and again subjected to electrolytic oxidation for about 5 minutes in a 0.3 mol / L oxalic acid solution by applying a voltage of 40 to 80 V, so that 100 in a uniform hexagonal lattice arrangement is obtained. This can be done by forming holes with a pitch of ˜200 nm.
また、第2の前処理は、導電性基材の表面にポリメチルフェニルシラン(分子量130,000)と粒径10nmのカーボンブラックの等重量混合物をトルエンで希釈したものを塗布し、約1μmの厚みの導電性ポリシランゲル被膜を得る。これに紫外線を照射してSi-Si結合を切断することにより、アルミニウムの場合と同様にナノサイズの孔をあけることなどにより行うことができる。 In the second pretreatment, the surface of the conductive substrate is coated with an equal weight mixture of polymethylphenylsilane (molecular weight 130,000) and carbon black having a particle size of 10 nm diluted with toluene to a thickness of about 1 μm. A conductive polysilane gel coating is obtained. By irradiating this with ultraviolet rays and cutting the Si-Si bond, nano-sized holes can be formed as in the case of aluminum.
<導電性ファイバー固定工程>
上記導電性ファイバー固定工程は、CVD法によって上記導電性基材の表面に直接成長させるか、または別途作製したものを電気泳動法により多孔質被膜の孔隙に導入させることにより行うことができる。
<Conductive fiber fixing process>
The conductive fiber fixing step can be performed by directly growing on the surface of the conductive substrate by a CVD method or by introducing a separately prepared material into the pores of the porous coating by an electrophoresis method.
CVD(化学気相成長)法を用いる方法としては、例えばグラファイト基材の表面に金属触媒として鉄ナノ粒子(CNT用には粒径1〜10nm、VGCF用には10〜100nm)を付着させ、加熱して有機物を取り除きFe2O3にしたものを原料として用いることができる(米Atomate社より購入することも可能)。これをCVD装置の炉の中に入れ、700℃に加温しつつエチレンと水素を1:20の割合で混合したガスをアルゴンまたは窒素とともに通気することによって、5〜30分間の反応時間で数μmまたはそれ以上の長さのカーボンナノチューブ(CNT)または気相成長炭素繊維(VGCF)を成長させることができる。金属触媒としては鉄のほかにコバルトなども用いられ、コバルトとモリブデンの酢酸塩を用いても良い。また、エチレンの代わりにアセチレンやメタン、もしくはエタノールを用いても良い。
As a method using the CVD (chemical vapor deposition) method, for example, iron nanoparticles (
電気泳動法を用いる方法としては、前処理により多孔質とした導電性基材を電気泳動槽の中に入れ、予めイソプロパノール中に混合して超音波によって分散させておいた導電性ファイバーを添加する。この状態で上記導電性基材をマイナス極とし、2×103V/cmの電位勾配を印加することにより、溶媒中の導電性ファイバーを整列させ、マイナス極である導電性基材の方向へ泳動させることができる。導電性基材表面に到達した導電性ファイバーは多孔質被覆の孔隙に挿入され、そこで保持されるので、アノードとして使用することができる。この場合、上記の電気泳動・固定化後に後述する方法で導電性ファイバーに電子メディエータを固定化しても良く、予め電子メディエータを固定化した導電性ファイバーを用いて電気泳動・固定化を行っても良い。 As a method using an electrophoresis method, a conductive substrate made porous by pretreatment is placed in an electrophoresis tank, and conductive fibers previously mixed in isopropanol and dispersed by ultrasonic waves are added. . In this state, the conductive base material is set as a negative pole, and a potential gradient of 2 × 10 3 V / cm is applied to align the conductive fibers in the solvent and move toward the negative conductive base. Can be electrophoresed. Since the conductive fiber that has reached the surface of the conductive substrate is inserted into the pores of the porous coating and held there, it can be used as an anode. In this case, the electron mediator may be immobilized on the conductive fiber by the method described later after the above electrophoresis / immobilization, or the electrophoresis / immobilization may be performed using the conductive fiber having the electron mediator immobilized beforehand. good.
<電子メディエータ導入工程>
本発明において、電子メディエータである酸化還元物質をポリマーに固定化させる方法としては、電子メディエータの酸化還元活性を阻害しないような方法を用いることが好ましい。また、ポリマーに固定化された電子メディエータは水環境中で安定であって、容易に分解、剥離しない性質及び形態であることが望ましい。具体的には、下記表-3に示す化学結合方法が適切である。
<Electronic mediator introduction process>
In the present invention, as a method for immobilizing the redox substance, which is an electron mediator, on a polymer, it is preferable to use a method that does not inhibit the redox activity of the electron mediator. Further, it is desirable that the electron mediator immobilized on the polymer is stable in an aqueous environment and has a property and form that does not easily decompose and peel. Specifically, the chemical bonding methods shown in Table 3 below are appropriate.
したがって、本発明において、電子メディエータを導電性ファイバーに固定化するには、使用する導電性ファイバーに導入する、あるいは予め導入されている官能基と電子メディエータに導入する、あるいは予め存在している官能基との組み合わせに応じて、表-3に示す方法から適切な化学修飾及び結合方法を選択することができる。 Therefore, in the present invention, in order to immobilize the electron mediator on the conductive fiber, it is introduced into the conductive fiber to be used, or it is introduced into the functional group and the electron mediator that have been introduced in advance, or there is a functional that already exists. Depending on the combination with the group, an appropriate chemical modification and bonding method can be selected from the methods shown in Table-3.
例えば、電極素材としてカーボンナノチューブを使用し、電子メディエータとしてAQC(アントラキノン−2−カルボン酸)を使用する場合には、AQCが有するカルボキシ基を利用した結合方法を好ましく選択することができる。具体的には、カーボンナノチューブを98%硫酸/70%硝酸の3:1混合液中で酸化又は70%硝酸液中で超音波をかけ酸化させるによって開裂させて末端をカルボン酸とし、これに塩化チオニルなどを反応させて酸クロリドを生成させる。次いで、得られた酸クロリドにアンモニアを反応させて、カルボン酸アミドを生成させる。さらに、得られたカルボン酸アミドをホフマン転位反応によりアミノ基に転位させる。このように処理したカーボンナノチューブに、ジシクロヘキシルカルボジイミド共存下で、AQCを反応させると、AQCのカルボキシ基とグラファイトのアミノ基とのアミド結合が形成され、AQCをグラファイトに安定に固定化することができる。 For example, when carbon nanotubes are used as the electrode material and AQC (anthraquinone-2-carboxylic acid) is used as the electron mediator, a bonding method using a carboxy group possessed by AQC can be preferably selected. Specifically, the carbon nanotubes are cleaved by oxidation in a 3: 1 mixture of 98% sulfuric acid / 70% nitric acid or by applying ultrasonic waves in 70% nitric acid to carboxylic acid at the ends, Reaction with thionyl and the like to produce acid chloride. Next, ammonia is reacted with the obtained acid chloride to produce a carboxylic acid amide. Further, the obtained carboxylic acid amide is rearranged to an amino group by a Hofmann rearrangement reaction. When carbon nanotubes thus treated are reacted with AQC in the presence of dicyclohexylcarbodiimide, an amide bond between the carboxy group of AQC and the amino group of graphite is formed, and AQC can be stably immobilized on graphite. .
導入されたカルボキシ基の量は、例えば滴定によって炭酸水素ナトリウムの消費量から測定することができる。このようにしてカルボキシ基を導入したカーボンナノチューブをジクロロメタンに浸漬し、導入されたカルボキシ基の約100倍モルに相当するオキサリルクロリドと数滴のジメチルホルムアミドを添加して室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、カルボキシ基を酸クロリド基に変換することもできる。しかる後に、カーボンナノチューブをジクロロメタンで洗浄し、テトラヒドロフラン溶媒中へ移す。ここに1,3-プロパンジアミンを上記同様に約100倍モルになるように添加し、室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、アミノ基を導入することができる。 The amount of carboxy group introduced can be determined from the consumption of sodium bicarbonate, for example by titration. Carbon nanotubes introduced with carboxy groups in this manner are immersed in dichloromethane, and oxalyl chloride corresponding to about 100 times mole of the introduced carboxy groups and a few drops of dimethylformamide are added and stirred at room temperature for about 4 to 12 hours. The reaction can be carried out while converting the carboxy group into an acid chloride group. Thereafter, the carbon nanotubes are washed with dichloromethane and transferred into a tetrahydrofuran solvent. An amino group can be introduced by adding 1,3-propanediamine to the mixture so as to be about 100-fold mol in the same manner as described above and reacting with stirring at room temperature for about 4 to 12 hours.
あるいは、上記の酸化方法で導入されたヒドロキシ基を用い、ブロモメチル基を有する電子メディエータとエーテル結合を形成させることもできる。
同様に、導電性ファイバーとしてVGCFを使用し、電子メディエータとしてAQS、AQ-2,6-DS、AQ-2,7-DS、AQ-1,5-DS、メタニルイエロー、メチルオレンジのようなスルホン酸基を有する物質を固定化する場合には、VGCFに上記の方法でアミノ基を導入した後、ジシクロヘキシルカルボジイミド共存下で、電子メディエータを反応させることによって、スルホンアミド結合を形成させて、電子メディエータをVGCFに固定化することができる。
Alternatively, it is possible to form an ether bond with an electron mediator having a bromomethyl group using the hydroxy group introduced by the above oxidation method.
Similarly, VGCF is used as the conductive fiber, and AQS, AQ-2,6-DS, AQ-2,7-DS, AQ-1,5-DS, methanyl yellow, methyl orange, etc. as the electron mediator When immobilizing a substance having a sulfonic acid group, an amino group is introduced into the VGCF by the above method, and then a sulfonamide bond is formed by reacting an electron mediator in the presence of dicyclohexylcarbodiimide to form an electron. Mediator can be immobilized on VGCF.
あるいは、上記のようなスルホン酸基を有する物質を固定化する場合には、スルホン酸基を予めスルホニルクロリド基に変換しておき、しかる後に上述の電解酸化法でアミノ基を導入したVGCFと反応させることによりスルホンアミド結合を形成させることもできる。 Alternatively, when immobilizing a substance having a sulfonic acid group as described above, the sulfonic acid group is converted into a sulfonyl chloride group in advance, and then reacted with VGCF in which an amino group is introduced by the electrolytic oxidation method described above. To form a sulfonamide bond.
具体的には、電子メディエータに対し1/2モルに相当する量のスルホランと4倍モルに相当する量のオキシ塩化リンとを含むアセトニトリル溶媒中70℃で1時間反応させ、スルホン酸基をスルホニルクロリド基に変換する。これを濾過して氷水で洗浄後、乾燥させることにより、電子メディエータのスルホン酸基をスルホニルクロリド基とすることができる。これをテトラヒドロフラン溶媒中で上記アミノ基を導入したVGCFと接触させ、添加したスルホニルクロリドに対し5倍モルに相当する量のトリエチルアミンを共存させつつ室温で12時間程度反応させることにより、VGCFと電子メディエータとの間にスルホンアミド結合を形成させることができる。 Specifically, the sulfonic acid group is reacted with sulfonyl group in an acetonitrile solvent containing an amount of sulfolane equivalent to 1/2 mol and an amount of phosphorus oxychloride equivalent to 4 times mol for 1 hour at 70 ° C. with respect to the electron mediator. Convert to chloride group. This is filtered, washed with ice water, and then dried, whereby the sulfonic acid group of the electron mediator can be converted to a sulfonyl chloride group. This is brought into contact with VGCF into which the amino group has been introduced in a tetrahydrofuran solvent, and reacted for about 12 hours at room temperature while coexisting with an amount of triethylamine corresponding to 5 times the amount of the added sulfonyl chloride, thereby allowing VGCF and the electron mediator to react. And a sulfonamide bond can be formed between them.
また、導電性ファイバーとしてCNTを使用し、電子メディエータとしてLpQを使用する場合には、CNTに導入した末端カルボン酸を還元して、ヒドロキシ基を導入し、LpQの4位の炭素をブロモメチル化した後、ヒドロキシ基を導入したCNTとエーテル結合させて、固定化することがより好ましい。 When CNT is used as the conductive fiber and LpQ is used as the electron mediator, the terminal carboxylic acid introduced into the CNT is reduced, a hydroxy group is introduced, and the 4-position carbon of LpQ is bromomethylated. Thereafter, it is more preferable to fix the CNT introduced with a hydroxy group by ether bonding.
または、導電性ファイバーとしてCNTを使用し、電子メディエータとしてFMNを使用する場合には、CNTにヒドロキシ基を導入し、FMNの2個のメチル基のいずれかを等モルのN-ブロモコハク酸イミドを用いて臭素化したものとアルカリ条件下で反応させて、エーテル結合により固定化することができる。 Alternatively, when CNT is used as the conductive fiber and FMN is used as the electron mediator, a hydroxy group is introduced into the CNT, and one of the two methyl groups of FMN is equimolar with N-bromosuccinimide. It can be immobilized with an ether bond by reacting with a brominated product using an alkali.
導電性ファイバーへの電子メディエータの導入操作は、導電性ファイバー固定化工程の前に行っても良く、後に行っても良い。固定化前に導電性ファイバーに電子メディエータを導入する方法は、化学反応の操作性や収率の面で有利である事が多い。一方、固定化後に電子メディエータを導入する方法は導電性ファイバーの固定化後露出している面にのみ電子メディエータが導入されるので、アノードの導電性を高く維持するという面で有利である場合が多い。したがって実際にアノードを作製する場合には、両方の方法を検討し、より最終的に大きな電流密度が得られる方法を採用すべきである。 The operation of introducing the electron mediator into the conductive fiber may be performed before or after the conductive fiber fixing step. The method of introducing an electron mediator into a conductive fiber before immobilization is often advantageous in terms of operability and yield of chemical reaction. On the other hand, the method of introducing the electron mediator after immobilization introduces the electron mediator only to the exposed surface after immobilization of the conductive fiber, which may be advantageous in terms of maintaining the anode conductivity high. Many. Therefore, when an anode is actually manufactured, both methods should be considered and a method capable of finally obtaining a large current density should be adopted.
またこの時、電子メディエータ導入工程は付着・固定化工程の前でも後でも良い。ただし1,5-ジアミノアントラキノンなどの複数のアミノ基を持つ電子メディエータを使用する場合は、ポリマーを導電性基材に固定化してから電子メディエータと接触させないと、ポリマー分子間で電子メディエータを介した架橋反応が生じてしまい、ポリマーがさらに高分子化して導電性基材へ塗布することが困難になってしまうため、付着・固定化工程を先に行うのが好ましい。 At this time, the electron mediator introduction process may be performed before or after the adhesion / immobilization process. However, when using an electron mediator with multiple amino groups such as 1,5-diaminoanthraquinone, the polymer must be immobilized on a conductive substrate and then contacted with the electron mediator. Since a cross-linking reaction occurs and the polymer is further polymerized and it becomes difficult to apply the polymer to the conductive substrate, it is preferable to perform the adhesion / fixation step first.
さらに、本発明によれば、上述の生物発電用アノードを利用する生物発電装置も提供される。
本発明の生物発電装置は、嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物、有機性物質を含有する溶液もしくは懸濁液及び上述の生物発電用アノードを含む嫌気性域と、分子状酸素及びカソードを含む好気性域と、該嫌気性域及び該好気性域とを画定する隔膜と、を具備し、該アノード及び該カソードを電力利用機器に電気的に接続して閉回路を形成し、該嫌気性域内での有機性物質を電子供与体とする生物の酸化反応と該好気性域内での酸素を電子受容体とする還元反応とを利用して発電する生物発電装置である。
Furthermore, according to this invention, the bioelectric power generation apparatus using the above-mentioned bioelectric power generation anode is also provided.
The bioelectric power generation device of the present invention includes an anaerobic region including a microorganism that can grow in an anaerobic atmosphere, a solution or suspension containing an organic substance, and the above-described anode for bioelectric power generation, and molecular oxygen and a cathode. An anaerobic region, a diaphragm defining the anaerobic region and the aerobic region, and electrically connecting the anode and the cathode to a power utilization device to form a closed circuit, and the anaerobic region A bioelectric power generation apparatus that generates electricity using an oxidation reaction of a living body using an organic substance as an electron donor in the region and a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor in the aerobic region.
含水有機性物質を長期間にわたって連続的に処理する装置に本発明の生物発電用アノードを用いる場合には、含水有機性物質中及びアノード表面において嫌気性微生物が連続的に増殖することから、あまりにも細密な3次元網目構造状、細いチューブ状または隙間の狭い積層板状の構造のアノードを用いると、微生物菌体による流路の閉塞、片流れ、デッドゾーンの形成等により含水有機性物質の分解及び発電効率が低下することが考えられる。このため、アノードの形態は、金網状、多孔質または表面に凹凸または襞がある一次構造であって、3次元網目状、チューブ状または積層板状の空間(含水有機性物質が流入してくる流路)を持つ2次構造を形成しており、かつ上記流路は処理対象となる含水有機性物質の流動性に応じて数mmから数cmの開度を持つことが望ましい。 When the bioelectric power generation anode of the present invention is used in an apparatus for continuously treating a water-containing organic substance over a long period of time, anaerobic microorganisms continuously grow in the water-containing organic substance and on the surface of the anode. If an anode with a fine three-dimensional network structure, thin tube shape, or a laminated plate structure with narrow gaps is used, water-containing organic substances can be decomposed due to blockage of channels, uniflow, dead zone formation, etc. In addition, power generation efficiency may be reduced. For this reason, the form of the anode is a wire mesh, porous, or a primary structure with irregularities or wrinkles on the surface, and a three-dimensional mesh, tube or laminated plate-like space (water-containing organic material flows in). It is desirable that a secondary structure having a flow path) is formed, and that the flow path has an opening of several millimeters to several centimeters depending on the fluidity of the water-containing organic substance to be treated.
本発明において、好気性域であるカソード側では、酸素を電子受容体とする還元反応が進行する。カソードの少なくとも一部を、構造体内に空隙を有する導電性の多孔質材料、網状又は繊維材料で構成し、その空隙中に水/空気の接触界面、すなわち空気(酸素)と水とを隣接させる場を構築することが好ましく、空気中の酸素および水面の水に接触する効率を高めて、空気中の酸素の還元反応(電極反応)を促進できる。例えば、微細孔を有する導電性の多孔質材料に樹脂バインダで導電性粒子(カーボン、不活性金属、金属酸化物など)を結着したものをカソードとして用いることで、毛細管現象及び表面の親水化等により水を効果的に吸い上げて、微細孔内部に水/空気の接触界面を形成させて、空気中の酸素と水とを効率良く接触させて酸素の還元反応を促進することができる。 In the present invention, a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor proceeds on the cathode side which is an aerobic region. At least a part of the cathode is made of a conductive porous material, mesh or fiber material having a void in the structure, and a water / air contact interface, that is, air (oxygen) and water are adjacent to each other in the void. It is preferable to construct a field, and the efficiency of contact with oxygen in the air and water on the water surface can be increased, and the reduction reaction (electrode reaction) of oxygen in the air can be promoted. For example, by using a conductive porous material with fine pores bound with conductive particles (carbon, inert metal, metal oxide, etc.) with a resin binder as a cathode, capillarity and surface hydrophilization Thus, water can be effectively sucked up to form a water / air contact interface inside the micropores, and oxygen in the air and water can be efficiently contacted to promote the oxygen reduction reaction.
さらに、カソードに白金族元素、銀、遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種類を含有する合金あるいは化合物からなる触媒を担持することが好ましく、空気中の酸素の還元反応(電極反応)を促進することができる。白金族元素とは白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)またはイリジウム(Ir)を指し、いずれも電極触媒として有効である。また、ニッケル(Ni)、ビスマス(Bi)、チタン酸化物をドープした銀粉末を担持したもの、ファーネスブラック又はコロイド状グラファイトに銀を担持したもの、鉄(Fe)、コバルト(Co)、フタロシアニン、ヘミン、ペロブスカイト、Mn4N、金属ポルフィリン、MnO2、バナジン酸塩、またはY2O3-ZrO2複合酸化物を用いたものも電極触媒として好ましく用いることができる。 Furthermore, it is preferable to carry a catalyst made of an alloy or compound containing at least one selected from platinum group elements, silver, and transition metal elements on the cathode, and promote the reduction reaction (electrode reaction) of oxygen in the air. Can do. The platinum group element means platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), or iridium (Ir), and all are effective as an electrode catalyst. Also, nickel (Ni), bismuth (Bi), silver oxide doped titanium powder, furnace black or colloidal graphite supported silver, iron (Fe), cobalt (Co), phthalocyanine, Those using hemin, perovskite, Mn 4 N, metalloporphyrin, MnO 2 , vanadate, or Y 2 O 3 —ZrO 2 composite oxide can also be preferably used as the electrode catalyst.
本発明において、アノードとカソードとは電力利用機器等に電気的に接続されて、両者間で電子交換を行って閉回路を形成する。その一方で、有機性物質の還元能を無駄なく電気エネルギーとして取り出すためには、有機性物質が酸化剤(被還元物質)、即ち空気中の酸素と接触して還元能を消費させないように、上記有機性物質と空気中の酸素が接触しないように両者を隔離することが好ましい。これらの条件を同時に満たすためには、カソードと嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物及び有機性物質を含む溶液又は懸濁液とを隔膜、例えば固体高分子隔膜で隔てることが望ましい。このような構造をとることにより、カソードは空気中の酸素と容易に接触することができ、また上記隔膜中に存在する水を介して水素イオンの受給または水酸化物イオンの排出を行うことができる。また、隔膜はできるだけ空気中の酸素を透過しないものがよく、アノード側、即ち有機性物質に酸素が浸透して有機性物質の還元能を低下させることを防ぐことが望ましい。 In the present invention, the anode and the cathode are electrically connected to a power utilization device or the like, and exchange electrons between them to form a closed circuit. On the other hand, in order to take out the reducing ability of the organic substance as electric energy without waste, the organic substance does not contact the oxidizing agent (reduced substance), that is, oxygen in the air, so that the reducing ability is not consumed. It is preferable to isolate both the organic substance and oxygen in the air so that they do not come into contact with each other. In order to satisfy these conditions at the same time, it is desirable to separate the cathode and a solution or suspension containing microorganisms and organic substances that can grow in an anaerobic atmosphere with a diaphragm, such as a solid polymer diaphragm. By adopting such a structure, the cathode can easily come into contact with oxygen in the air, and can receive hydrogen ions or discharge hydroxide ions through the water present in the diaphragm. it can. Further, it is desirable that the diaphragm should not allow oxygen in the air to permeate as much as possible, and it is desirable to prevent the oxygen from penetrating the anode side, that is, the organic substance and reducing the reducing ability of the organic substance.
このような隔膜としては、親水性があり高い陽イオン交換能を有するスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜(陽イオン交換膜)や、第4級アンモニウム塩を有する水酸化物イオン(陰イオン交換膜)などが好ましく用いられる。また、より安価な隔膜として主鎖部のみをフッ素化したフッ素樹脂系イオン交換膜や、芳香族炭化水素系膜も利用できる。このようなイオン交換膜としては、例えばIONICS製NEPTON CR61AZL-389、トクヤマ製NEOSEPTA CM-1または同CMB、旭硝子製Selemion CSV、IONICS製NEPTON AR103PZL、トクヤマ製NEOSEPTA AHA、旭硝子製Selemion ASVなどの市販製品を好ましく用いることができる。陽イオン交換膜は、カソードでの酸素の還元に必要な水素イオン及び水をアノードからカソードへ供給するために用いることができ、陰イオン交換膜は、水と酸素との反応から発生した水酸化物イオンをカソードからアノードへと供給するために用いることができる。 Examples of such a diaphragm include a fluororesin ion exchange membrane (cation exchange membrane) having a sulfonic acid group having hydrophilicity and high cation exchange ability, and a hydroxide ion (anion) having a quaternary ammonium salt. An ion exchange membrane) is preferably used. Further, a fluororesin ion exchange membrane in which only the main chain portion is fluorinated or an aromatic hydrocarbon membrane can be used as a cheaper diaphragm. Examples of such ion exchange membranes include commercial products such as NEPTON CR61AZL-389 manufactured by IONICS, NEOSEPTA CM-1 or CMB manufactured by Tokuyama, Selemion CSV manufactured by Asahi Glass, NEPTON AR103PZL manufactured by IONICS, NEOSEPTA AHA manufactured by Tokuyama, and Selemion ASV manufactured by Asahi Glass. Can be preferably used. The cation exchange membrane can be used to supply hydrogen ions and water necessary for oxygen reduction at the cathode from the anode to the cathode, and the anion exchange membrane is a hydroxylation generated from the reaction between water and oxygen. It can be used to supply physical ions from the cathode to the anode.
また、嫌気性域と好気性域とを隔離するために用いる隔膜としては、陰イオン交換膜を用いることもできる。具体的には、アンモニウムヒドロキシド基を有するヒドロキシドイオン交換膜を好ましく挙げることができる。このような陰イオン交換膜としては、例えば、IONICS製NEPTON AR103PZL-389、トクヤマ製NEOSEPTA ALE、旭硝子製Shelemion ASVなどの市販製品を好ましく用いることができる。この場合、嫌気性域に存在する有機酸などの陰イオン性の有機性物質が隔膜を透過して好気性域に至る(いわゆるクロスフローの現象)と、そこで酸素の消費が行われて有機物が無駄に酸化されるとともに好気性域において好気性の生物が増殖してカソードを汚染することになるので、用いる陰イオン交換膜は分子篩い効果を持ち、酢酸などの分子量60以上の陰イオンを透過しにくい性質を持っていることが望ましい。このような性質を持つ陰イオン交換膜としては例えばアストム製ネオセプタALE04-4 A-0006膜がある。 Moreover, an anion exchange membrane can also be used as a diaphragm used for isolating an anaerobic region and an aerobic region. Specifically, a hydroxide ion exchange membrane having an ammonium hydroxide group can be preferably exemplified. As such an anion exchange membrane, for example, commercially available products such as NEPTON AR103PZL-389 manufactured by IONICS, NEOSEPTA ALE manufactured by Tokuyama, and Shelemion ASV manufactured by Asahi Glass can be preferably used. In this case, when an anionic organic substance such as an organic acid present in the anaerobic region passes through the diaphragm and reaches the aerobic region (so-called cross flow phenomenon), oxygen is consumed there and the organic matter is Since it is oxidized wastefully and aerobic organisms grow in the aerobic region and contaminates the cathode, the anion exchange membrane used has a molecular sieving effect and permeates anions having a molecular weight of 60 or more such as acetic acid. It is desirable to have a property that is difficult to do. As an anion exchange membrane having such properties, there is, for example, Astom Neoceptor ALE04-4 A-0006 membrane.
さらに、本発明において用いることができる隔膜としては、官能基を有しないMF(マイクロフィルタ)、UF(ウルトラフィルタ)膜やセラミック、焼結ガラスなどの多孔質濾材、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン製の織布等を用いることができる。これらの官能基を有しない隔膜は、孔径が5μm以下で、非加圧条件でガスを透過しないものが好ましく、例えば、Schweiz Seidengazefabrik製のPE-10膜、Flon Industry製のNY1-HD膜などの市販品を好ましく用いることができる。 Furthermore, as a diaphragm that can be used in the present invention, MF (microfilter), UF (ultrafilter) film having no functional group, porous filter media such as ceramic and sintered glass, nylon, polyethylene, and woven fabric made of polypropylene are used. A cloth or the like can be used. These diaphragms having no functional group preferably have a pore diameter of 5 μm or less and do not allow gas permeation under non-pressurized conditions. For example, PE-10 membrane manufactured by Schweiz Seidengazefabrik, NY1-HD membrane manufactured by Flon Industry, etc. Commercial products can be preferably used.
本発明の生物発電装置において、嫌気性域は、嫌気性雰囲気下で生育可能な生物の呼吸反応により、有機性物質由来の電子が微生物体内の電子伝達系を介して最終的にアノードに受け渡される微生物の酸化反応を進行させる生物反応室でもあり、好気性域は、酸素を電子受容体とする還元反応を進行させる空気反応室でもある。本生物発電装置の嫌気性域には、嫌気性微生物とアノードの間で電子を伝達するために適切な電位を有する電子メディエータが固定化されているアノードを設けているので、生物の最終還元酵素−電子メディエータ−アノード間で有効な電位カスケードが形成される。また、該電子メディエータはアノード上のCNTまたはVGCFなどの導電性ファイバーに固定化されているため、グラファイトなどに電子メディエータが固定化されている場合に比べ発電時の分極を低く抑えることができ、取り出せる電力を大きくすることができる。 In the bioelectric power generation device of the present invention, in the anaerobic region, electrons derived from organic substances are finally delivered to the anode via the electron transfer system in the microorganism due to the respiratory reaction of the organism that can grow in an anaerobic atmosphere. The aerobic region is also an air reaction chamber for promoting a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor. In the anaerobic region of this bioelectric power generation device, an anode to which an electron mediator having an appropriate potential for transferring electrons between the anaerobic microorganism and the anode is provided is provided. -An effective potential cascade is formed between the electron mediator and the anode. In addition, since the electron mediator is fixed to a conductive fiber such as CNT or VGCF on the anode, polarization during power generation can be suppressed lower than when the electron mediator is fixed to graphite or the like, The power that can be taken out can be increased.
また、導電性ファイバーによって構成される微細な突起上に電子メディエータが固定化されているため、グラファイトなどの比較的平滑な表面上に電子メディエータが固定化されている場合と比べて微生物の外膜上に存在する末端還元酵素との接触効率が向上し、発電量を増加させることができる。 In addition, since the electron mediator is immobilized on fine protrusions made of conductive fibers, the outer membrane of the microorganism is compared with the case where the electron mediator is immobilized on a relatively smooth surface such as graphite. The contact efficiency with the terminal reductase existing above is improved, and the power generation amount can be increased.
本生物発電装置において、嫌気性域(生物反応室)と好気性域(空気反応室)を画定するための隔膜が陽イオン交換膜である場合、カソードにおいて水素イオンを利用する還元反応は、水素イオン濃度条件によっては本発明の発電に関与する全体の反応速度を制限する場合がある。すなわちアノードでの酸化反応が生物によるものであるため、極端な酸性条件は生物の活性を阻害するという理由で好ましくない可能性もある。また、水素イオン濃度が低濃度である場合、例えば、pH5以上の条件でアノード側において水素イオンが発生し、該水素イオンが拡散により陽イオン交換膜を透過してカソード側に供給されることとなる。このとき、カソード側における水素イオン濃度は10-5mol/L程度またはそれ以下と見積もられる。このように水素イオン濃度が低濃度条件になるとカソード側における酸素還元反応の速度が低下することとなり、また、アノード側の水素イオンが効率的にカソード側へと移動しないことも予想される。すなわち、このような場合には電池を形成する支持電解質としての電気抵抗(内部抵抗)が大きくなる可能性がある。一方、この反応系の利点は、常にアノード側からカソード側へと水および水素イオンの供給が行われるためにカソード側への水分の供給が充分に行われ、カソード側の酸素が膜を介してアノード側へ透過してアノード側の還元能を消費してしまう、いわゆるクロスフローの問題が生じにくいことである。
In this bioelectric power generation apparatus, when the diaphragm for defining the anaerobic region (biological reaction chamber) and the aerobic region (air reaction chamber) is a cation exchange membrane, the reduction reaction using hydrogen ions at the cathode Depending on the ion concentration conditions, the overall reaction rate involved in the power generation of the present invention may be limited. That is, since the oxidation reaction at the anode is due to living organisms, extreme acidic conditions may be undesirable because they inhibit the activity of the organism. Further, when the hydrogen ion concentration is low, for example, hydrogen ions are generated on the anode side under the condition of
陽イオン交換膜を嫌気性域と好気性域の間の隔膜として用いた場合、カソード側の反応においては、空気中の酸素を消費して水が発生する。このため常に換気を行って酸素を補給するとともに、水分を除いてカソードが過度に濡れるのを防ぐ必要がある。ただし、このとき供給する空気の湿度及び流量によってカソード側の保水量が変化するため、乾燥−加湿の制御は適宜行うことが望ましい。空気の供給及び排出による換気の方法としては、開放系で自然に対流置換させる方法、カソードの周囲を外殻で被包して空気室を設けて、空気室内を通風機により強制換気する方法、同じく空気室を設けて、酸化還元反応により生じる熱で空気室内を暖め、対流を生じさせて空気と水蒸気を上昇させて換気する方法が考えられ、本発明の装置を設置する場所、規模等の条件に合わせて換気方法を採用することが好ましい。 When the cation exchange membrane is used as a diaphragm between the anaerobic region and the aerobic region, water is generated by consuming oxygen in the air in the reaction on the cathode side. For this reason, it is necessary to constantly ventilate and replenish oxygen and prevent the cathode from getting wet excessively except for moisture. However, since the water retention amount on the cathode side varies depending on the humidity and flow rate of the air supplied at this time, it is desirable to appropriately control the drying and humidification. As a method of ventilation by supplying and discharging air, a method of convection replacement naturally in an open system, a method of enclosing the cathode around an outer shell and providing an air chamber, forcibly ventilating with an air blower, Similarly, a method of providing an air chamber, warming the air chamber with heat generated by the oxidation-reduction reaction, generating convection to raise air and water vapor, and ventilating can be considered. It is preferable to adopt a ventilation method according to the conditions.
一方、陰イオン交換膜を嫌気性域と好気性域の間の隔膜として用いた場合、すなわち、好気性域において水と酸素から水酸化物イオンを発生させる反応系を採用した場合には、好気性域は嫌気性域と比較して水の保持量が非常に小さいため、アノードでの水素イオン発生量と等モルの水酸化物イオンをカソードにおいて発生させれば、カソード側のpH、すなわち水酸化物イオン濃度を非常に高くすることができる。高濃度の水酸化物イオンは効率良く陰イオン交換膜を透過するので、支持電解質の電気抵抗(内部抵抗)を小さくすることができる。一方、この反応系は、常にカソード側からアノード側へのイオン移動が行われるためにカソード側への水供給が難しくなること、および上記イオン移動に伴ってカソード側の酸素が膜を介してアノード側へ透過してアノード側の還元能を消費してしまう、上述したクロスフローの問題が生じる可能性が有るという課題がある。 On the other hand, when an anion exchange membrane is used as a diaphragm between the anaerobic region and the aerobic region, that is, when a reaction system that generates hydroxide ions from water and oxygen in the aerobic region is adopted, it is preferable. The amount of water retained in the aerobic region is much smaller than that in the anaerobic region. Therefore, if hydroxide ions equivalent to the amount of hydrogen ions generated at the anode are generated at the cathode, the pH on the cathode side, i.e. water The oxide ion concentration can be very high. Since the high concentration of hydroxide ions permeates the anion exchange membrane efficiently, the electric resistance (internal resistance) of the supporting electrolyte can be reduced. On the other hand, in this reaction system, the ion transfer from the cathode side to the anode side is always performed, so that it is difficult to supply water to the cathode side, and the oxygen on the cathode side passes through the membrane along with the ion transfer. There is a problem that the above-described cross flow problem may occur which permeates to the side and consumes the reducing ability on the anode side.
さらに、カソード側の反応においては、酸素とカソード表面の水が消費され、水酸化物イオンが発生する。このため、常に換気を行って酸素を補給するとともに、水分を補給してカソードが乾燥するのを防ぐ必要がある場合がある。特に、換気空気が乾燥している場合、アノード側からの浸透による水供給速度がカソードでの蒸発および還元反応による水消費速度を下回る場合には、該換気空気を加湿するか、水蒸気を添加することによりカソードへ水分を供給することが望ましい。 Further, in the reaction on the cathode side, oxygen and water on the cathode surface are consumed, and hydroxide ions are generated. For this reason, it may be necessary to constantly ventilate and replenish oxygen and replenish moisture to prevent the cathode from drying. In particular, when the ventilation air is dry, when the water supply rate by permeation from the anode side is lower than the water consumption rate by the evaporation and reduction reaction at the cathode, the ventilation air is humidified or water vapor is added. Therefore, it is desirable to supply moisture to the cathode.
以上のように、嫌気性域と好気性域の間の隔膜として利用される陽イオン交換膜および陰イオン交換膜は、発電反応に関与する反応系を大きく変える効果を持ち、それぞれ長所と改善すべき課題を持つので、どちらを採用するかは装置の構造や用途、含水有機性物質の性質に応じて判断すべきである。 As described above, cation exchange membranes and anion exchange membranes used as a diaphragm between anaerobic and aerobic regions have the effect of greatly changing the reaction system involved in the power generation reaction, and each has advantages and improvements. Therefore, it should be determined according to the structure and application of the device and the nature of the water-containing organic substance.
また、水素イオンまたは水酸化物イオンの移動効率を高めるためには、カソードと上記隔膜との間の距離はなるべく短いほうが良く、装置構造上可能であれば両者は接合していることが望ましい。特に、隔膜の一部がカソード電極の多孔質構造内部の空隙内に網目状に侵入して結合していると、多孔質構造中に含まれる空気と隔膜に含まれる水とで形成される水/空気接触界面の面積が飛躍的に増大するので、空気中の酸素を還元する反応効率が増大して発電性能を高めることができる。 Further, in order to increase the transfer efficiency of hydrogen ions or hydroxide ions, the distance between the cathode and the diaphragm is preferably as short as possible, and it is desirable that the two are joined if possible in terms of the device structure. In particular, when a part of the diaphragm enters and joins in the voids inside the porous structure of the cathode electrode, the water formed by the air contained in the porous structure and the water contained in the diaphragm Since the area of the air contact interface increases dramatically, the reaction efficiency for reducing oxygen in the air increases and the power generation performance can be improved.
同様に、水素イオンまたは水酸化物イオンの移動を容易にし、電解液系の電気抵抗を小さくするために、アノードと上記隔膜との距離もなるべく短くすることが望ましく、アノードと隔膜とが接触もしくは接合していることが好ましい。但し、この場合には、含水有機性物質が隔膜と接触してその中の水が隔膜に吸収されるようにするために、アノードは透水性を有する形態、例えば多孔質材料や網状材料で構成したり、或いは通水孔を有する形態、例えば格子状若しくは櫛状の形態とすることが必要である。また、アノードと隔膜とを接触させて配置することが装置の構造上困難な場合は、例えば、撹拌または循環水流を生じさせてアノードと隔膜との間を循環する水流を作るようにし、水素イオンまたは水酸化物イオンの移動を容易にすることが望ましい。 Similarly, in order to facilitate the movement of hydrogen ions or hydroxide ions and to reduce the electric resistance of the electrolyte system, it is desirable to shorten the distance between the anode and the diaphragm as much as possible. It is preferable to join. However, in this case, the anode is made of a water-permeable form, for example, a porous material or a net-like material so that the water-containing organic substance comes into contact with the diaphragm and the water therein is absorbed by the diaphragm. Or a form having a water passage hole, for example, a lattice shape or a comb shape. In addition, when it is difficult to arrange the anode and the diaphragm in contact with each other due to the structure of the apparatus, for example, a stirring or circulating water flow is generated to create a water flow that circulates between the anode and the diaphragm. Alternatively, it is desirable to facilitate the movement of hydroxide ions.
また、アノード内にイオン交換性の高分子を含浸させるか、またはアノード基材又は導電性ファイバーと陽イオン交換性繊維(スルホン酸グラフト繊維など)とを織り込むかまたは不織布として混合することにより、アノード側で発生する水素イオンを回収し、このイオン交換性高分子または繊維を何らかの方法で(例えば塩橋のようにイオン交換繊維または樹脂のパイプを介して)延長してカソードと結合することにより、アノード−カソード間で水素イオンの回路を形成することも好ましい。 Also, the anode can be impregnated by impregnating the anode with an ion exchange polymer, or by interweaving an anode substrate or conductive fiber and a cation exchange fiber (such as sulfonic acid graft fiber) or mixing as a nonwoven fabric. By collecting the hydrogen ions generated on the side and extending this ion exchange polymer or fiber in some way (for example, through an ion exchange fiber or resin pipe like a salt bridge) and bonding to the cathode, It is also preferable to form a hydrogen ion circuit between the anode and the cathode.
また、本発明の生物発電装置においては、有機性物質の電子を効率よくアノードに受け渡すことができるように、アノードの表面積を大きくすることが好ましい。また、アノードが有機性物質と効率よく接触し、アノードとカソードとの間でイオン交換が効率よく行われると同時にアノードとカソードとが電気的には絶縁していることが好ましい。そこで生物反応室及び酸素反応室を内部に画定する反応容器の形態は、例えばアノードを筒型、例えば円筒形としてその中を有機性物質が流れる構造として、アノードとカソードとを隔膜を挟む3層状構造とすることが好ましい。また、含水有機性物質や増殖した生物が滞留するようなデッドゾーンを形成しないように考慮すべきである。このための一つの手法として、有機性物質とアノード電極との接触効率を上げるために、撹拌装置もしくは循環水流発生装置を反応容器内部に設けることが好ましい。また、反応容器を気密な構造とする場合は、嫌気性ガスが容器内に蓄積して有効容積が低下することを防止するため、なんらかのガス抜きの機構を備えることが望ましい。この嫌気性ガスは流路を空洗する方法に利用することもできる。また、嫌気性域に嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物及び有機物質を含む溶液又は懸濁液の供給機構及び排出機構を設け、好気性域に酸素又は空気の供給機構及び排出機構を設けることも好ましい。 Moreover, in the bioelectric power generation device of the present invention, it is preferable to increase the surface area of the anode so that electrons of the organic substance can be efficiently transferred to the anode. Further, it is preferable that the anode is in efficient contact with the organic substance, ion exchange is efficiently performed between the anode and the cathode, and at the same time, the anode and the cathode are electrically insulated. Therefore, the form of the reaction vessel defining the biological reaction chamber and the oxygen reaction chamber inside is, for example, a three-layer structure in which the anode is cylindrical, for example, a cylindrical shape, and an organic substance flows through the anode, and the anode and the cathode are sandwiched between them. A structure is preferable. In addition, it should be considered not to form a dead zone in which water-containing organic substances and grown organisms stay. As one method for this purpose, in order to increase the contact efficiency between the organic substance and the anode electrode, it is preferable to provide a stirring device or a circulating water flow generator inside the reaction vessel. Further, when the reaction vessel has an airtight structure, it is desirable to provide some kind of degassing mechanism in order to prevent anaerobic gas from accumulating in the vessel and reducing the effective volume. This anaerobic gas can also be used in a method of flushing the flow path. In addition, a supply mechanism and a discharge mechanism for a solution or suspension containing microorganisms and organic substances that can grow in an anaerobic atmosphere are provided in the anaerobic region, and an oxygen or air supply mechanism and a discharge mechanism are provided in the aerobic region. Is also preferable.
本発明の生物発電方法は、嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物、有機性物質を含有する溶液もしくは懸濁液、上述の生物発電用アノードを含む嫌気性域と、分子状酸素及びカソードを含む好気性域と、該嫌気性域及び該好気性域とを画定する隔膜と、を具備し、該アノード及び該カソードを電力利用機器に電気的に接続して閉回路を形成し、該嫌気性域内での有機性物質を電子供与体とする微生物の酸化反応と該好気性域内での酸素を電子受容体とする還元反応とを利用して発電する生物発電方法である。 The bioelectric power generation method of the present invention includes a microorganism that can grow in an anaerobic atmosphere, a solution or suspension containing an organic substance, an anaerobic region that includes the above-described anode for bioelectric power generation, molecular oxygen, and a cathode. An anaerobic region, a diaphragm defining the anaerobic region and the aerobic region, and electrically connecting the anode and the cathode to a power utilization device to form a closed circuit, and the anaerobic region This is a bioelectric power generation method for generating electricity using an oxidation reaction of a microorganism using an organic substance as an electron donor in the region and a reduction reaction using oxygen as an electron acceptor in the aerobic region.
本発明においては、電子メディエータが固定化されたアノードを嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物及び有機性物質を含む溶液又は懸濁液と接触させて、有機性物質を電子供与体とする微生物による酸化反応を進行させる。このアノード側での反応、有機性物質を電子供与体とする微生物による酸化反応は、含水有機性物質中で嫌気性微生物(通性又は絶対嫌気性微生物)によって生化学的に触媒され、主に微生物の嫌気呼吸により、有機性物質由来の電子が微生物体内の電子伝達系を介して最終的にアノードに受け渡される。したがって、本発明に係る発電反応を効率よく進行させるためには、微生物の細胞膜内で電子伝達系を終結するものではなく、細胞外膜(細胞膜外)で電子をアノードで捕捉しやすい、アノードへの電子伝達を触媒するような微生物(「電極活性な微生物」)を利用することが望ましい。このようなアノードへの電子伝達を触媒する微生物としては、硫黄S(0)還元菌、酸化鉄(III)還元菌、二酸化マンガンMnO2還元菌、脱塩素菌などが好ましく用いられる。このような微生物として、例えばDesulfuromonas sp.、Desulfitobacterium sp.、Geobivrio thiophilus sp.、Clostridium thiosulfatireducens sp.、Acidithiobacillus sp.、Thermoterrabacterium ferrireducens sp.、Geothrix sp.、Geobacter sp.、Geoglobus sp.、Shewanella putrefaciens sp.などが特に好ましく用いられる。特に、硫黄還元菌は、最終電子受容体である硫黄の標準電極電位が-0.28Vと非常に低いので、酸化鉄(III)還元菌よりも低い電位を有する電子メディエータに電子を伝達することができ、エネルギー的に有利である。このような硫黄還元活性を有する微生物として、例えば、Desulfuromonas sp.、Desulfitobacterium sp.、Geobivrio thiophilus sp.、Clostridium thiosulfatireducens sp.、Acidithiobacillus sp.などが好ましく用いられる。 In the present invention, the anode on which the electron mediator is immobilized is brought into contact with a solution or suspension containing a microorganism and an organic substance that can grow in an anaerobic atmosphere, and the microorganism uses the organic substance as an electron donor. The oxidation reaction proceeds. This reaction on the anode side and the oxidation reaction by microorganisms using organic substances as electron donors are biochemically catalyzed by anaerobic microorganisms (passive or absolute anaerobic microorganisms) in water-containing organic substances. Due to the anaerobic respiration of the microorganism, the electrons derived from the organic substance are finally delivered to the anode via the electron transfer system in the microorganism. Therefore, in order to make the power generation reaction according to the present invention proceed efficiently, the electron transfer system is not terminated in the cell membrane of the microorganism, but the electron is easily captured by the anode at the extracellular membrane (outside the cell membrane). It is desirable to use microorganisms (“electrode active microorganisms”) that catalyze the electron transfer. As such microorganisms that catalyze the electron transfer to the anode, sulfur S (0) reducing bacteria, iron (III) oxide reducing bacteria, manganese dioxide MnO 2 reducing bacteria, dechlorinating bacteria, and the like are preferably used. Such microorganisms include, for example, Desulfuromonas sp., Desulfitobacterium sp., Geobivrio thiophilus sp., Clostridium thiosulfatireducens sp., Acidithiobacillus sp., Thermoterrabacterium ferrireducens sp., Geothrix sp., Geobacter sp., Geoglobus sp., Shewanella putrefaciens. Etc. are particularly preferably used. In particular, sulfur-reducing bacteria have a very low standard electrode potential of sulfur as the final electron acceptor of -0.28 V, so that electrons can be transferred to an electron mediator having a lower potential than iron (III) oxide-reducing bacteria. It is energetically advantageous. As such microorganisms having sulfur reduction activity, for example, Desulfuromonas sp., Desulfitobacterium sp., Geobivrio thiophilus sp., Clostridium thiosulfatireducens sp., Acidithiobacillus sp.
これらの微生物は、含水有機性物質中において主要な微生物ではないことが多いため、本発明の方法を実施するにあたっては、最初に、アノード側にこれらの微生物を植菌し、アノード表面にこれらの微生物が主に付着している状態を形成しておくことが好ましい。これらの微生物が優先的に生物反応室内で増殖するために、アノードに電子を渡すことによる呼吸反応(電極呼吸)が酸発酵やメタン発酵よりもエネルギー的に有利である場の面積を大きくすべきであり、具体的には嫌気性域(微生物反応室)内のアノード表面積をなるべく大きくすることが好ましい。また、アノード表面に生物を付着させた後、嫌気性域(微生物反応室)内にこれらの微生物の増殖に適当な培地を供給することが望ましく、さらにアノードの電位をある程度高く維持することにより、アノード表面でのこれらの微生物の増殖を促すことがより望ましい。これらの微生物(群)を前培養もしくは生物反応室内で培養するための方法として、これらの微生物(群)の培地として報告されているスラリー状の硫黄、酸化鉄(III)、二酸化マンガンなどを電子受容体とする培地を好ましく用いることができ、例えばHandbook of Microbial Media (Atlasら1997, CRC Press)に記載されているAncylobacter/Spirosoma培地、Desulfuromonas培地、Fe(III) Lactate Nutrient培地などが好ましく用いられる。 Since these microorganisms are often not major microorganisms in the water-containing organic material, in carrying out the method of the present invention, these microorganisms are first inoculated on the anode side, and these microorganisms on the anode surface. It is preferable to form a state in which microorganisms are mainly attached. In order for these microorganisms to preferentially grow in the biological reaction chamber, the area of the area where the respiration reaction (electrode respiration) by passing electrons to the anode is more advantageous in energy than acid fermentation or methane fermentation should be increased. Specifically, it is preferable to increase the anode surface area in the anaerobic region (microbe reaction chamber) as much as possible. In addition, after attaching organisms to the anode surface, it is desirable to supply an appropriate medium for the growth of these microorganisms in the anaerobic region (microbe reaction chamber), and further maintaining the anode potential to some extent, It is more desirable to promote the growth of these microorganisms on the anode surface. As a method for culturing these microorganisms (groups) in a pre-culture or in a biological reaction chamber, slurry-like sulfur, iron (III) oxide, manganese dioxide, etc. reported as a medium for these microorganisms (groups) are electronically A medium used as a receptor can be preferably used, for example, the Ancylobacter / Spirosoma medium, Desulfuromonas medium, Fe (III) Lactate Nutrient medium, etc. described in the Handbook of Microbial Media (Atlas et al. 1997, CRC Press) are preferably used. .
本発明において用いる有機性物質の性状は、嫌気性雰囲気下で生育可能な微生物が増殖するアノード周辺に分子状酸素を供給しないように液体状または懸濁液、あるいは固形分の間隙が水で飽和している状態であることが望ましい。アノード周辺での有機性物質の酸化反応は主に微生物による呼吸反応によって触媒されることから、アノード周辺内に投入される有機性物質は固形分の粒径が小さく、水中によく溶解または分散し、低分子であることが望ましく、また、微生物にとって易分解性の物質であることが望ましい。使用する有機性物質の種類によりこれらの条件が満たされない場合には、物理的、化学的または生物学的な前処理を行って有機性物質の生物分解性を高めることができる。そのような方法としては、例えば、粉砕機による破砕、熱分解、超音波処理、オゾン処理、次亜塩素酸塩処理、過酸化水素処理、硫酸処理、生物による加水分解、酸生成、低分子化処理が考えられる。これらの前処理に要するエネルギーは、前処理による主反応容器での発電エネルギーの向上とのバランスを考え、最適な前処理条件を選ぶことができる。 The nature of the organic substance used in the present invention is liquid or suspension, or the solid content is saturated with water so as not to supply molecular oxygen around the anode where microorganisms that can grow in an anaerobic atmosphere grow. It is desirable that Since the oxidation reaction of the organic substance around the anode is mainly catalyzed by a respiratory reaction by microorganisms, the organic substance put into the anode periphery has a small solid particle size and dissolves or disperses well in water. It is desirable to be a low molecular weight substance, and it is desirable to be a substance that is easily degradable to microorganisms. If these conditions are not met by the type of organic material used, physical, chemical or biological pretreatment can be performed to increase the biodegradability of the organic material. Examples of such methods include crushing with a pulverizer, thermal decomposition, ultrasonic treatment, ozone treatment, hypochlorite treatment, hydrogen peroxide treatment, sulfuric acid treatment, biological hydrolysis, acid generation, and low molecular weight. Processing can be considered. The energy required for these pretreatments can be selected in consideration of the balance with the improvement of power generation energy in the main reaction vessel by the pretreatment.
また、使用用途に応じて、経時的に上記流路を水洗または空洗して余剰の微生物菌体及び菌体外分泌物を除去することが望ましい。この際、空洗に使用する気体に酸素が含まれると、嫌気性域(微生物反応室)である反応容器中の嫌気性微生物に悪影響を及ぼす可能性があるため、不活性ガスまたは反応容器中で発生した嫌気性のガスを利用することが望ましい。 Further, it is desirable to remove excess microbial cells and extracellular secretions by rinsing the flow passage with water or air over time according to the intended use. At this time, if oxygen is contained in the gas used for air washing, there is a possibility of adversely affecting the anaerobic microorganisms in the reaction vessel which is an anaerobic region (microbe reaction chamber). It is desirable to use the anaerobic gas generated in
以下、添付図面を参照しながら、本発明による発電装置をより具体的に説明する。以下の記載は、本発明の技術思想を具現化する幾つかの具体的形態を説明するもので、本発明はこの記載に限定されるものではない。 Hereinafter, the power generator according to the present invention will be described more specifically with reference to the accompanying drawings. The following description is to explain some specific embodiments that embody the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to this description.
図1は本発明の一態様に係る生物発電ユニットの具体例である。例えば、図1に示す本発明の生物発電装置の一具体例は、電子メディエータが電極基材表面から突出する導電性ファイバーに固定化されているアノード1を含む嫌気性域4、隔膜(電解質膜)2、および多孔質カソード3を含む好気性域5が三重の筒状体をなすことによって構成される。筒状体の最内隔空間形態である嫌気性域4に嫌気性条件下で生育可能な微生物及び有機性物質(「基質」ともいう)を含む溶液又は懸濁液を流し、筒状体の最外隔空間形態である好気性域5には分子状酸素を含む空気を存在させる。好気性域5には、分子状酸素を供給する手段(図示せず)が設けられている。好気性域5内に配置されている多孔質カソードは、カソードの少なくとも一部が、構造体内に空隙を有する導電性の多孔質材料、網状又は繊維状材料によって形成されている。嫌気性域4と好気性域5とを隔離する隔膜2は、物質交換係数が大きな隔膜、たとえばDuPont社製のNafion(登録商標)、アストム社製ネオセプタ(登録商標)などの固体高分子電解質膜で構成されている。
FIG. 1 is a specific example of a bioelectric power generation unit according to one embodiment of the present invention. For example, a specific example of the bioelectric power generation device of the present invention shown in FIG. 1 includes an
嫌気性域4内では、有機性物質を電子供与体とする微生物の酸化反応が進行し、好気性域5内では、酸素を電子受容体とする還元反応が進行する。こうして、アノード1とカソード3の間に電位差が生じる。この状態でアノード1とカソード3とを導線6によって電力利用機器に電気的に接続することにより電位差電流が流れ、一方、電解質膜2を介して嫌気性域4と好気性域5の間でイオンが移動することにより、閉回路が形成される。反応が進行するにつれて、嫌気性域4には水素イオンが発生し、嫌気性域の水溶液は酸性を呈する。一方、好気性域5には水酸化物イオンが発生して好気性域5内に発生する水はアルカリ性溶液となる。
In the
好気性域5内に発生するアルカリ性水溶液を適宜回収して嫌気性域4内へ注入する流路(図示せず)を設けてもよい。この流路を通してアルカリ性水溶液を好気性域5から嫌気性域4に循環させることにより、嫌気性域4の水素イオン濃度が極端に上昇して生物の呼吸活性を阻害したり、導入した塩基性官能基の中和能力を越えてしまったりするのを防ぐことができる。
You may provide the flow path (not shown) which collect | recovers the alkaline aqueous solutions which generate | occur | produce in the
発電ユニットを構成する筒状体の内径は、基質の流動性に応じ、数mmから数cm、場合によっては数十cmに設定することができる。図1に示すような発電ユニットは、適当な材料の支持層またはケーシングで保持することによりその物理的強度を増すことができる。この場合、筒状体を更に外殻で被包して外殻と筒状体との間の空間を空気室とし、空気室に空気を供給及び排出する手段を形成するようにしてもよい。 The inner diameter of the cylindrical body constituting the power generation unit can be set to several mm to several cm, and in some cases several tens of cm depending on the fluidity of the substrate. The power generation unit as shown in FIG. 1 can be increased in physical strength by being held by a support layer or casing of an appropriate material. In this case, the cylindrical body may be further encapsulated with an outer shell, and a space between the outer shell and the cylindrical body may be used as an air chamber, and means for supplying and discharging air to the air chamber may be formed.
図示した実施形態においては、アノード1、隔膜2及びカソード3を円筒形とする3層構造を採用し、隔膜2を介してアノード1とカソード3とを配置している。このような構成とすることによって、アノード1及びカソード3の表面積を大きくし、アノード1が基質と効率良く接触して基質の動かないデッドゾーンをできるだけ小さくすることができるので、アノード1とカソード3との間でイオン交換が効率良く行われると同時に、アノード1とカソード3は電気的に絶縁され、有機性物質(基質)の電子が効率良くアノード1に受け渡されることになる。また、多孔質カソード3の空隙中に空気と水との接触界面を存在させた状態で空気と接触させることにより、空気中の酸素および水面の水に接触する効率を高めることができ、電極上での酸素の還元反応を効率良く進行させることができる。
In the illustrated embodiment, a three-layer structure in which the
図1に示すような三層筒状体の本発明に係る生物発電装置においては、用途に応じてアノードを含む嫌気性域を外側に、カソードを含む好気性域を内側に配置し、好気性域に空気を流通させる手段を配して該装置を基質液中に設置することで、発電運転を行うこともできる。また、この場合、筒状体を例えばU字型に形成し、両端を基質液の液面から出して、筒内部の空間に空気が流通できるようにしてもよい。このように好気性域を内筒とする構成の場合には、好気性域の内筒の内径を数mm程度またはそれ以下に小さくしても閉塞の生じる心配がない点が有利である。更に、三層筒状体において、内側の筒状体を多孔質カソードを含む好気性域、外側の筒状体をアノードを含む嫌気性域とすると、カソードに比較して外側のアノードの表面積を大きくすることができるので有利である。さらにアノードの表面積を広くするため、アノードの表面に凹凸や襞をもたせることも可能である。一方、カソード側の内径は、反応効率も関係するが、空気が容易に流通するだけの径があれば良く、閉塞の危険性がほとんどないため、内径を数mm程度またはそれ以下まで小さくすることが可能である。この場合、筒状体を更に外殻で被包して筒状体の外側空間を基質の流れる微生物反応室とし、生物反応室に基質を供給及び排出する手段を配置することによって装置を構成することができる。 In the bioelectric power generation device according to the present invention having a three-layered cylindrical body as shown in FIG. 1, an anaerobic region including an anode is disposed on the outside and an aerobic region including a cathode is disposed on the inside depending on the application, and the aerobic region is disposed. A power generation operation can also be performed by arranging means for circulating air in the area and installing the apparatus in the substrate solution. In this case, the cylindrical body may be formed in, for example, a U-shape, and both ends may be protruded from the surface of the substrate solution so that air can flow through the space inside the cylinder. When the aerobic region is configured as an inner cylinder in this way, there is an advantage that no blockage is caused even if the inner diameter of the inner tube of the aerobic region is reduced to about several millimeters or less. Further, in a three-layered cylindrical body, when the inner cylindrical body is an aerobic region including a porous cathode and the outer cylindrical body is an anaerobic region including an anode, the surface area of the outer anode is larger than that of the cathode. This is advantageous because it can be enlarged. Furthermore, in order to increase the surface area of the anode, it is possible to have irregularities and wrinkles on the surface of the anode. On the other hand, the inner diameter on the cathode side is related to the reaction efficiency, but it is sufficient if there is a diameter that allows air to flow easily and there is almost no risk of clogging, so the inner diameter should be reduced to a few millimeters or less. Is possible. In this case, the cylindrical body is further encapsulated with an outer shell, the outer space of the cylindrical body is used as a microbial reaction chamber in which the substrate flows, and the apparatus is configured by arranging means for supplying and discharging the substrate in the biological reaction chamber. be able to.
また、図1に示すような筒状形態又は他の形態の生物発電ユニットを複数個並べて生物発電装置を構成することもできる。例えば、図2には、図1の生物発電ユニットを複数個並べた形態を示し、図4には平板状の生物発電ユニットを3個並べた形態を示す。 Moreover, a bioelectric power generation apparatus can also be configured by arranging a plurality of cylindrical or other forms of biopower generation units as shown in FIG. For example, FIG. 2 shows a form in which a plurality of bioelectric power generation units of FIG. 1 are arranged, and FIG. 4 shows a form in which three plate-like bioelectric power generation units are arranged.
図2に示す生物発電装置においては、図1に示すようなアノードの内筒1、隔膜2及びカソードの外筒3から構成される三層筒状体(発電ユニット)50が複数本、外殻によって形成される空気室7の中に配置されている。基質は、流入ポンプ8により流入部9を介して複数配置された発電ユニット50の内部4へ分配注入される。ここで酸化分解を受けた基質は、流出部10を介して反応容器の外へ出た後、処理済み基質11として系外へ排出される。また、基質の一部は循環ポンプ12により再び流入部9へ戻される。この循環流によってアノード1と基質の接触が促進される。反応容器内に蓄積した生物菌体及び汚泥は、経時的に余剰汚泥排出口13を開くことにより排出される。また、同じく13より、水、不活性ガス、嫌気ガスを注入することにより反応容器内を逆洗、空洗することができる。反応容器内で嫌気性ガスが発生した場合は、排気口19から排出することができる。この嫌気性ガスを貯留して空洗に使用してもよいことは上述したとおりである。
In the bioelectric power generation apparatus shown in FIG. 2, a plurality of three-layered cylindrical bodies (power generation units) 50 constituted by an anode
一方、多孔質カソード3に酸素を供給するため、ブロワ14を用いて空気室7へ通気を行うことができる。ただし用途に応じて強制換気が必要でない場合には、空気室7を取り外して、各発電ユニット50の外筒であるカソード3が外気に触れるように装置を構成してもよい。通気された空気は、空気室7内の発電ユニットの間の空間5を流れ、カソード3と接触した後に、排気口15から排出される。また、カソードでの還元反応により生成した水は、水蒸気として排気口15から排出されるか、凝縮水として凝縮水ドレイン16から排出される。
On the other hand, since oxygen is supplied to the
導線6は、アノードとの接続部17により複数の発電ユニット50の内筒1に、またカソードとの接続部18により複数の発電ユニット50の外筒3に電気的に接続される。この際、導線6は、周囲の環境と電気的に絶縁し、電気的短絡及び導線表面での酸化還元反応が起こらないようにすることが必要である。
The
なお、図2に示す装置についても、図1に関して上記に説明したのと同様に、カソードを内筒、アノードを外筒として各発電ユニットの筒状体50を構成し、各筒状体50内部空間へ空気を供給し、発電ユニット50の筒状体の外側のアノードに基質を接触させるようにすることもできる。
2, the
カソードについては、いかに効率良く電極上での酸素の還元反応を進行させるかが課題となる。このためには、カソードの少なくとも一部を、構造体内に空隙を有する導電性の多孔質材料、網状又は繊維状材料によって形成して、このカソードの空隙中に空気と水との接触界面を存在させた状態で空気と接触させることにより、空気中の酸素および水面の水に接触する効率を高めることが好ましい。 As for the cathode, the problem is how to efficiently carry out the oxygen reduction reaction on the electrode. For this purpose, at least a part of the cathode is formed of a conductive porous material, net-like or fibrous material having a void in the structure, and a contact interface between air and water exists in the void of the cathode. It is preferable to increase the efficiency of contact with oxygen in the air and water on the water surface by contacting with air in the state of being allowed to enter.
図3に本発明の生物発電装置において採用することのできるカソードの構造の一例を断面図で示す。図3(A)は、隔膜2及びカソード3の構造の断面を示したものであり、図3(B)は、図3(A)を空気室側5から見た図である。また、図3では、隔膜2が陽イオン交換膜である場合の反応系を示す。図3に示すカソードは、多孔質のマトリックス20に、好ましくは白金族元素、銀、遷移金属元素から選ばれる少なくとも一種類を含有する合金あるいは化合物からなる触媒21を担持する構造を有し(図3(A)、空気室側5から見た場合網目状の構造を呈している(図3(B)。このような構成を取ることにより、カソードが、水面または隔膜を経由する水を基材の親水性によって吸い上げつつ空気中の酸素と接触することができ、電極のミクロな構造中に空気ネットワーク22と水溶液ネットワーク23を持つことによって空気/水接触界面の面積を増大させ、空気中の酸素および水面の水に接触する効率を高めることができる。酸素と水素イオンが触媒21上で反応することにより、空気中の酸素の還元反応を促進することができる。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a cathode structure that can be employed in the bioelectric power generation apparatus of the present invention. FIG. 3A shows a cross section of the structure of the
図3(C)に、本発明の生物発電装置において採用することのできるカソード構造の別の一例を示す。図3(C)においても、隔膜2が陽イオン交換膜である場合の反応系を示す。図3(C)に示すカソードは、隔膜2と同じ材料からなる溶液を、多孔質のマトリックス20の隔膜2との接合面側に塗布して乾燥させることによって、隔膜構造体の一部を多孔質マトリックス20の微細孔内部に浸入させたものである。このような構成を取ることにより、イオン交換および触媒の利用率を向上させ、空気中の酸素の還元反応を促進することができる。
FIG. 3C shows another example of a cathode structure that can be employed in the bioelectric power generation device of the present invention. FIG. 3C also shows a reaction system when the
以下、実施例により本発明を詳述するが、これらは本発明を何ら限定するものではない。
以下の実施例及び比較例において、アノードを変えた以外は、図4に示す実験室用の生物発電装置を用い、発電性能を比較した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, these do not limit this invention at all.
In the following Examples and Comparative Examples, the power generation performance was compared using the laboratory bioelectric power generation apparatus shown in FIG. 4 except that the anode was changed.
生物発電装置は、図4に示すように、1辺の長さ100mm、厚さ10mmのセルフレーム2枚(25、26)を隣接配置し、セルフレームの両側に同寸のセパレーター24を2枚積層させてセパレーター24を両側面とする積層構造体とした。この積層構造体の内部に、アノード1、隔膜2として陽イオン交換膜(DuPont製Nafion)及びカソード3として白金を担持したカーボンペーパーをこの順番に接触配置し、ナフィオン溶液用いてアノード1、隔膜2、カソード3の順に接着させ、一方のフレーム24とアノード1との間に嫌気性域31を、他方のフレーム24とカソード3との間に好気性域32を形成した。この積層構造体を互い違いに3ユニット積層し、隣接するユニット間のフレーム24は共用させて、実験用の発電装置を構成した。3ユニット間の嫌気性域31、31’、31”には基質液流路27−28を、好気性域32、32’、32”には空気流路29−30を形成した。また、図示していないが、各アノード1及び各カソード3を導線により電気的に直列に接続して、電流量計及び可変抵抗器(電力利用機器)を介して閉回路を形成した。電流量計を含む回路の外部抵抗は、可変抵抗器を0Ωとした場合10Ω以下であった。
As shown in FIG. 4, the bioelectric power generation apparatus has two cell frames (25, 26) each having a side length of 100 mm and a thickness of 10 mm, and two
[実施例1、比較例1]
カーボンにCVD法でCNTを生成した後にAQDSを固定化した場合と、カーボンに直接AQDSを固定化した場合の発電性能の比較
[Example 1, Comparative Example 1]
Comparison of power generation performance when AQDS is immobilized after CNTs are generated by CVD on carbon and when AQDS is immobilized directly on carbon
導電性基材(多孔質カーボン)にCVD法を用いてCNTを形成後、その表面に電子メディエータとしてアントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQ-2,6-DS)を固定化してアノードを製作した。 After forming CNTs on a conductive substrate (porous carbon) using the CVD method, an anthraquinone-2,6-disulfonic acid (AQ-2,6-DS) is immobilized on the surface as an electron mediator to produce an anode did.
導電性基材であるカーボンペーパー(Electrochem 社製EC-20-10-7)に、以下に述べるCVD法を用いて導電性ファイバー(CNT)を形成させ、しかる後に電子メディエータであるAQDSをジアミンを介してスルホンアミド結合によって固定化させることにより形成した。このとき、AQDSは導電性ファイバー上に導電性基材の投影面積あたり10μmol/cm2の密度で固定化されていた。CVD法によるカーボンペーパー表面でのCNTの形成、CNT表面への電子メディエータAQDSの固定化は以下の通り行った。 Conductive fiber (CNT) is formed on the carbon paper (EC-20-10-7 manufactured by Electrochem), which is a conductive substrate, using the CVD method described below, and then AQDS, which is an electron mediator, is mixed with diamine. Via immobilization via a sulfonamide bond. At this time, AQDS was immobilized on the conductive fiber at a density of 10 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate. Formation of CNTs on the carbon paper surface by the CVD method and immobilization of the electron mediator AQDS on the CNT surface were performed as follows.
カーボンペーパー表面に酢酸コバルトと酢酸モリブデンを各1mmol/Lの濃度でエタノールに溶解させた混合液を塗布し、乾燥後に600℃で1時間加熱して金属微粒子を形成させるとともに有機物を除いた。これをAtomate社製Advanced LP CVD systemの炉中に入れ、700℃に加温しつつエチレンを100sccm(標準状態でのガス体積cm3/分)、ヘリウムを200sccmの速度で通気した。20分間反応させることにより、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)を生成した。 A mixed solution in which cobalt acetate and molybdenum acetate were dissolved in ethanol at a concentration of 1 mmol / L was applied to the surface of carbon paper. After drying, the mixture was heated at 600 ° C. for 1 hour to form metal fine particles and remove organic substances. This was placed in an Atomate Advanced LP CVD system furnace, and heated to 700 ° C. with 100 sccm of ethylene (gas volume cm 3 / min in the standard state) and aerated helium at a rate of 200 sccm. By reacting for 20 minutes, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) were produced.
これを98wt%硫酸/70 wt %硝酸の3:1混合液中で酸化し、MWCNTの主に先端部にカルボキシ基を導入した。これをジクロロメタンに浸漬し、導入されたカルボキシ基の約100倍モルに相当するオキサリルクロリドと数滴のジメチルホルムアミドを添加して室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、上記カルボキシ基を酸クロリド基に変換した。これをジクロロメタンで洗浄し、テトラヒドロフラン溶媒中へ移した。ここに1,3-プロパンジアミンを上記同様に約100倍モルになるように添加し、室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、アミノ基を導入した。 This was oxidized in a 3: 1 mixture of 98 wt% sulfuric acid / 70 wt% nitric acid to introduce a carboxy group mainly at the tip of MWCNT. By immersing this in dichloromethane, adding oxalyl chloride corresponding to about 100 times mole of the introduced carboxy group and a few drops of dimethylformamide and reacting at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours, the above carboxy group Was converted to an acid chloride group. This was washed with dichloromethane and transferred into a tetrahydrofuran solvent. 1,3-propanediamine was added to the mixture so as to be about 100 times mol as described above, and the amino group was introduced by reacting at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours.
一方、AQDSのスルホン酸基を酸クロリド基とするため以下の操作を行った。AQDSに対して1/2モルに相当する量のスルホランと4倍モルに相当する量のオキシ塩化リンとを含むアセトニトリル溶媒中70℃で1時間反応させ、AQDSの持つスルホン酸基をスルホニルクロリド基とした。これを濾過して氷水で洗浄後、乾燥させることにより、スルホン酸基をスルホニルクロリド基に変換したAQDSを精製した。これをテトラヒドロフラン溶媒中で上記アミノ基を導入した導電性ファイバーと接触させ、添加したスルホニルクロリドに対し5倍モルに相当する量のトリエチルアミンを共存させつつ室温で12時間程度反応させることにより、MWCNTと電子メディエータとの間にスルホンアミド結合を形成した。 On the other hand, the following operation was performed to make the sulfonic acid group of AQDS an acid chloride group. AQDS is allowed to react at 70 ° C. for 1 hour in an acetonitrile solvent containing an amount of sulfolane equivalent to 1/2 mole of AQDS and an amount of phosphorus oxychloride equivalent to 4 times mole to sulfonyl chloride group of AQDS. It was. This was filtered, washed with ice water, and dried to purify AQDS in which sulfonic acid groups were converted to sulfonyl chloride groups. This is brought into contact with the above-described conductive fiber introduced with an amino group in a tetrahydrofuran solvent, and reacted with MWCNT for 12 hours at room temperature in the presence of triethylamine in an amount corresponding to 5 moles to the added sulfonyl chloride. A sulfonamide bond was formed with the electron mediator.
このアノードを用い、pH7の水溶液中において印加電位を-0.28Vから-0.18V(水素標準電極電位)までシフトすることによって放電が行われたことから、該アノードの標準電極電位E0’は-0.28V〜-0.18Vの間にあると考えられる。 Using this anode, the discharge was performed by shifting the applied potential from -0.28 V to -0.18 V (hydrogen standard electrode potential) in an aqueous solution of pH 7, so that the standard electrode potential E 0 ′ of the anode was − It is considered to be between 0.28V and -0.18V.
導電性基材であるカーボンペーパー(Electrochem 社製EC-20-10-7、多孔質グラファイト)に、導電性ファイバーなしで実施例1の方法に準じてAQDSを直接固定化させることにより対照アノード(1)を形成した。このとき、AQDSは導電性基材上に導電性基材の投影面積あたり10μmol/cm2の密度で固定化されていた。この対照アノード(1)を用い、pH7の水溶液中において印加電位を-0.28Vから-0.13V(水素標準電極電位)までシフトすることによって放電が行われたことから、対照アノード(1)の標準電極電位E0’は-0.28V〜-0.13Vの間にあると考えられる。 By directly immobilizing AQDS in accordance with the method of Example 1 without using conductive fibers on carbon paper (Electrochem EC-20-10-7, porous graphite) as a conductive substrate, a control anode ( 1) was formed. At this time, AQDS was immobilized on the conductive substrate at a density of 10 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate. Since this discharge was performed by shifting the applied potential from -0.28 V to -0.13 V (hydrogen standard electrode potential) in an aqueous solution of pH 7 using this control anode (1), the standard of the control anode (1) The electrode potential E 0 ′ is considered to be between −0.28V and −0.13V.
<発電性能>
図4に示す実験室用の生物発電装置を用い、実施例1及び比較例1で製作した生物発電用アノードの発電性能を比較した。
<Power generation performance>
Using the laboratory bioelectric power generation apparatus shown in FIG. 4, the power generation performance of the bioelectric power generation anodes manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 was compared.
生物発電装置の嫌気性域31、31’、31”には、運転開始前に硫黄還元菌集積培養体を各1mL添加した。使用した硫黄還元菌集積培養体は以下の方法で作製した。クロボク土0.1gを植種源とし、130mL容のバイアル瓶にHandbook of Microbial Media (Atlasら1997, CRC Press)に記載されているDesulfuromonas培地(表-4)を100mL注入して、気相を窒素ガス置換したものに添加し、密閉して、28℃の温度条件下で振とう培養し、2週間後に菌液5mLを新しく調製したバイアル瓶に植え継ぐという操作を5回繰り返し、10週間後に得られた菌液を嫌気性微生物集積培養体とした。なお、植種元である土壌は特にクロボク土に限定するものではなく、ローム土やシルトであってもよい。
Before the start of operation, 1 mL each of the sulfur-reducing bacteria accumulation culture was added to the
基質液として、含水有機性物質のモデルとして0.1mol/Lのグルコース水溶液に0.01g/Lのイーストエキストラクトを混合して調製した基質液を用いた。
運転開始から10日間は、生物が嫌気性域(生物反応室)内に付着するのを待つため通液を行わず、Handbook of Microbial Media (Atlasら1997, CRC Press)に記載されているDesulfuromonas培地(表-4)を嫌気性域(生物反応室)側に充填して硫黄還元菌の優占化を促した。
As a substrate solution, a substrate solution prepared by mixing 0.01 g / L yeast extract in a 0.1 mol / L aqueous glucose solution as a model of a water-containing organic substance was used.
For 10 days from the start of operation, no liquid is passed to wait for organisms to adhere to the anaerobic zone (biological reaction chamber), and the Desulfuromonas medium described in the Handbook of Microbial Media (Atlas et al. 1997, CRC Press) (Table 4) was filled into the anaerobic zone (biological reaction chamber) to promote the predominance of sulfur-reducing bacteria.
運転開始後10日目より、基質液の滞留時間を2日間として馴養運転を行い、運転開始後20日目より嫌気性域内での滞留時間を500分間とする通常運転にして、アノード、カソード間の電流量及び電圧を測定した。なお、好気性域への空気の供給は滞留時間0.5分間とした。 From the 10th day after the start of operation, the acclimatization operation is performed with the residence time of the substrate solution being 2 days, and from the 20th day after the operation is started, the residence time in the anaerobic region is set to 500 minutes and the normal operation is performed between the anode and the cathode. The current amount and voltage were measured. The supply of air to the aerobic region was performed with a residence time of 0.5 minutes.
実施例1、比較例1においては、馴養運転期間中を含めて、常にカソード・アノード間は電気的に接続した状態とし、最大の電力量が得られるよう可変抵抗を調整した。試験結果を表-5に示す。 In Example 1 and Comparative Example 1, the variable resistor was adjusted so that the cathode and anode were always electrically connected, including during the acclimatization period, and the maximum amount of power was obtained. The test results are shown in Table-5.
測定期間中の平均発生電流は、実施例1の方が比較例1に比べて、2.3倍の高い電流量を発生したことがわかる。また、平均電圧は実施例1において対照1よりも1.5倍向上した。したがって得られた電力は実施例1の方が比較例1よりも3.45倍大きかった。
It can be seen that the average generated current during the measurement period generated 2.3 times higher current amount in Example 1 than in Comparative Example 1. In addition, the average voltage was 1.5 times higher in Example 1 than in
この結果より、導電性ファイバー(CNT)を介してAQDSを固定化したアノードの方が、直接AQDSを固定化したアノードよりも発電性能において優れていることが認められた。 From this result, it was confirmed that the anode in which AQDS was immobilized through conductive fibers (CNT) was superior in power generation performance to the anode in which AQDS was directly immobilized.
[実施例2、比較例2]
電解酸化アルミニウムにCVD法でVGCFを形成し、その後AQCを固定化した場合(実施例2)と、電解酸化アルミニウムに予めAQCを固定化したカーボンブラック粉末を塗布した場合(比較例2)との発電性能の比較
[Example 2, Comparative Example 2]
When VGCF is formed on electrolytic aluminum oxide by CVD and AQC is then immobilized (Example 2), and when carbon black powder with AQC previously immobilized on electrolytic aluminum oxide is applied (Comparative Example 2) Comparison of power generation performance
実施例2において生物発電装置に装備したアノード1は、以下に述べる方法により導電性基材(アルミニウム)の電解酸化、CVD法によるVGCFの形成、電子メディエータアントラキノン−2−カルボン酸(AQC)の固定化を行って作製した。発電ユニットの構成及びアノード以外の実験条件は、実施例1と同様とした。
In Example 2, the
純度99.999%のアルミニウム板(レアメタリック社製AL-32-83-0300)をアノード1の導電性基材として用い、0.3mol/Lのシュウ酸液中で40Vの電圧をかけて15℃の条件下で1時間酸化することにより多孔質の電解酸化アルミニウム層を得た。この酸化アルミニウム層をいったん1mol/Lリン酸で取り除いて、再び0.3mol/Lのシュウ酸液中で80Vの電圧をかけて5分間程度電解酸化することにより、均一な6角格子状の配列で200nmのピッチの孔を形成させた。これを10μmol/Lの酢酸コバルト水溶液に浸漬し、上記アルミニウム板をマイナス極として103V/cmの電位勾配を印加することによりコバルトを酸化アルミニウム孔の内部に沈着させた。これを実施例1と同様にAtomate社製Advanced LP CVD systemの炉中に入れ、600℃に加温しながら100sccmの速度で一酸化炭素ガスを通気し、コバルトを還元した。その後温度を650℃に上げ、通気ガスをアセチレン/窒素の1:9混合ガスに変更して同じ通気速度で30時間反応させることにより、平均径100nmのVGCFを形成させた。
Using an aluminum plate with a purity of 99.999% (AL-32-83-0300 manufactured by Rare Metallic) as the conductive base material for the
上記電極をアノードとして水素標準電極に対し+1Vの電位を印加しつつ70wt%硫酸液中で酸化し、上記VGCFにカルボキシ基を導入した。これをジクロロメタンに浸漬し、導入されたカルボキシ基の約100倍モルに相当するオキサリルクロリドと数滴のジメチルホルムアミドを添加して室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、上記カルボキシ基を酸クロリド基に変換した。これをジクロロメタンで洗浄し、テトラヒドロフラン溶媒中へ移す。ここに1,3-プロパンジアミンを上記同様に約100倍モルになるように添加し、室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、アミノ基を導入した。 The electrode was used as an anode and oxidized in a 70 wt% sulfuric acid solution while applying a potential of +1 V to the hydrogen standard electrode, and a carboxy group was introduced into the VGCF. This was immersed in dichloromethane, and oxalyl chloride corresponding to about 100 times mole of the introduced carboxy group and a few drops of dimethylformamide were added and reacted at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours. Was converted to an acid chloride group. This is washed with dichloromethane and transferred into tetrahydrofuran solvent. 1,3-propanediamine was added to the mixture so that it was about 100 times in the same manner as above, and the amino group was introduced by reacting at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours.
これを1g/Lのジシクロヘキシルカルボジイミド溶液に浸漬し、1時間反応させた後で1mol/LになるようAQCを添加して、アミド結合によりAQCを固定化した。
アノードの標準電極電位E0’は-0.21V〜-0.16Vの範囲内にあった。また、AQCの固定化密度は導電性基材の投影面積あたり1μmol/cm2程度であった。
This was immersed in a 1 g / L dicyclohexylcarbodiimide solution, reacted for 1 hour, then AQC was added to 1 mol / L, and AQC was immobilized by an amide bond.
The standard electrode potential E 0 ′ of the anode was in the range of −0.21V to −0.16V. The immobilization density of AQC was about 1 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate.
比較例2に用いる対照アノード(2)は、実施例2の方法で電解酸化したアルミニウム板にAQCを直接固定化したカーボンブラックを塗布したものを用いた。カーボンブラックは東海カーボン製Toka black #5500を用い、0.125mol/Lのスルファニル酸水溶液に100g/Lとなるよう懸濁して70℃まで加温し3時間攪拌した後、室温まで冷却した。次に、ここに硝酸と亜硝酸ナトリウムをそれぞれ0.15mol/Lとなるように添加し、約30℃の温度下で発泡が停止するまで3時間程度反応させた。これをエタノールで洗浄し、スルホン酸基を導入したカーボンブラックを得た。ついでこれをスルホン酸基に対して等モルに相当する量のスルホランと8倍モルに相当する量のオキシ塩化リンとを含むアセトニトリル溶媒中70℃で1時間反応させ、スルホン酸基をスルホニルクロリド基に変換した。これを濾過して氷水で洗浄後、乾燥させることにより、スルホン酸基をスルホニルクロリド基に変換したカーボンブラックを精製した。これをジクロロメタンで洗浄し、テトラヒドロフラン溶媒中へ移す。ここに1,3-プロパンジアミンを約100倍モルになるように添加し、室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、アミノ基を導入した。このアミノ基導入カーボンブラックを1g/Lのジシクロヘキシルカルボジイミド溶液に浸漬し、1時間反応させた後で1mol/LになるようAQCを添加して、アミド結合によりAQCを固定化した。 The control anode (2) used in Comparative Example 2 was obtained by applying carbon black with AQC directly immobilized on the aluminum plate electrolytically oxidized by the method of Example 2. Carbon black was Toka black # 5500 made by Tokai Carbon, suspended in 0.125 mol / L sulfanilic acid aqueous solution to 100 g / L, heated to 70 ° C., stirred for 3 hours, and then cooled to room temperature. Next, nitric acid and sodium nitrite were respectively added to 0.15 mol / L and allowed to react for about 3 hours at a temperature of about 30 ° C. until foaming stopped. This was washed with ethanol to obtain carbon black into which a sulfonic acid group was introduced. Next, this was reacted at 70 ° C. for 1 hour in an acetonitrile solvent containing an amount of sulfolane equivalent to an equimolar amount of sulfonic acid group and an amount of phosphorus oxychloride equivalent to an 8-fold molar amount, and the sulfonic acid group was converted into a sulfonyl chloride group. Converted to. This was filtered, washed with ice water, and dried to purify carbon black in which sulfonic acid groups were converted to sulfonyl chloride groups. This is washed with dichloromethane and transferred into tetrahydrofuran solvent. 1,3-propanediamine was added thereto so as to be about 100 times mol, and the amino group was introduced by reacting with stirring at room temperature for about 4 to 12 hours. This amino group-introduced carbon black was immersed in a 1 g / L dicyclohexylcarbodiimide solution, reacted for 1 hour, then added with AQC to 1 mol / L, and AQC was immobilized by amide bond.
上記操作によりAQCを固定化したカーボンブラックを日本触媒製エポミン(登録商標)の5%エタノール溶液に懸濁し、上記電解酸化アルミニウム板に塗布して乾燥させることにより、比較例2の対照アノード(2)とした。比較例2において、塗布、硬化後のAQCによる電極被覆密度は導電性基材の投影面積あたり約10μmol/cm2であった。対照アノード(2)の標準電極電位E0’は-0.23V〜-0.18Vの範囲内にあった。 The control black (2) of Comparative Example 2 was prepared by suspending carbon black on which AQC was immobilized by the above operation in a 5% ethanol solution of Epomin (registered trademark) manufactured by Nippon Shokubai, applying to the electrolytic aluminum oxide plate and drying. ). In Comparative Example 2, the electrode coating density by AQC after coating and curing was about 10 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate. The standard electrode potential E 0 ′ of the control anode (2) was in the range of −0.23V to −0.18V.
<発電性能>
実施例2及び比較例2で得たアノードを用いて図4に示す生物発電装置で行った発電試験結果を表-6に示す。
<Power generation performance>
Table 6 shows the results of the power generation test performed on the biopower generation device shown in FIG. 4 using the anodes obtained in Example 2 and Comparative Example 2.
発生電流量は、実施例2の方が比較例2に比べて、26倍高い値を示した。発生電圧は、実施例2の方が比較例2に比べて、1.53倍高い値を示した。比較例2の電流量が小さかった理由としては、導電性基材の表面が酸化されており電気抵抗が大きくなっていたため、孔の内部に入り込んだ一部のAQCのみが電子メディエータとして有効に働いたためと考えられる。この結果より、アルミニウムの導電性基材に対して導電性ファイバー(VGCF)を介してAQCを固定化したアノードの方が、カーボンブラックにAQCを固定化して塗布したアノードよりも発電性能において優れていることが認められた。 The amount of generated current was 26 times higher in Example 2 than in Comparative Example 2. The generated voltage in Example 2 was 1.53 times higher than that in Comparative Example 2. The reason why the amount of current in Comparative Example 2 was small was that the surface of the conductive substrate was oxidized and the electrical resistance was high, so that only a part of the AQC that entered the hole worked effectively as an electron mediator. It is thought that it was because of. From this result, the anode in which AQC is immobilized on the conductive substrate of aluminum via the conductive fiber (VGCF) is superior in power generation performance than the anode in which AQC is immobilized on carbon black. It was recognized that
なお、実施例2で得られた発生電流は実施例1で得られたものの1/2以下であった。これは電子メディエータの固定化密度が低かったためと考えられる。ただし実施例2で作製したCVD法による導電性ファイバー(VGCF)は多孔質アルミニウムにより保持されているため、長期間使用する場合の耐久性に優れることが期待される。 The generated current obtained in Example 2 was 1/2 or less that obtained in Example 1. This is probably because the immobilization density of the electron mediator was low. However, since the conductive fiber (VGCF) produced by the CVD method in Example 2 is held by porous aluminum, it is expected to have excellent durability when used for a long time.
[実施例3、比較例3]
グラファイト板にポリシランを被覆し、紫外線で多孔質化して、CNTを分散させた液中に浸漬し、電気泳動法によりCNTをポリシラン孔中に挿入させ、AQDSを固定化した場合(実施例3)と、グラファイト板に直接AQDSを固定化した場合(比較例3)との発電性能の比較
[Example 3, Comparative Example 3]
When a graphite plate is coated with polysilane, made porous with ultraviolet light, immersed in a liquid in which CNTs are dispersed, CNTs are inserted into the polysilane pores by electrophoresis, and AQDS is immobilized (Example 3) Comparison of power generation performance with AQDS fixed directly on graphite plate (Comparative Example 3)
多孔質グラファイト板(東海カーボン製G-50)を導電性基材として用い、ポリシラン(ポリメチルフェニルシラン、分子量13万)及びカーボンブラック(Toka Black #5500)をそれぞれ0.5%濃度となるようにテトラヒドロフランに溶解したものに浸漬した。これを取り出して乾燥させ、ポリシラン被覆導電性基材とした。 A porous graphite plate (Tokai Carbon G-50) is used as the conductive substrate, and polysilane (polymethylphenylsilane, molecular weight 130,000) and carbon black (Toka Black # 5500) are each 0.5% in concentration. It was immersed in what was dissolved in. This was taken out and dried to obtain a polysilane-coated conductive substrate.
これを水銀ランプ下に置いて紫外線を10分間照射し、多孔質導電性ポリシランとした。このようにして用意した導電性基材をイソプロパノールを満たした電気泳動槽の中に入れ、CNT(和光純薬製カーボンナノチューブ多層、20〜30nm)を0.5g/Lとなるように添加し、超音波をかけてCNTを分散させた。しかる後に上記導電性基材をマイナス極とし、2×103V/cmの電位勾配を印加することにより、溶媒中のCNTを上記ポリシラン被覆中に挿入した。 This was placed under a mercury lamp and irradiated with ultraviolet rays for 10 minutes to obtain porous conductive polysilane. The conductive substrate prepared in this way is placed in an electrophoresis tank filled with isopropanol, and CNT (multilayer of carbon nanotubes manufactured by Wako Pure Chemicals, 20-30 nm) is added so as to be 0.5 g / L. CNT was dispersed by applying sound waves. Thereafter, CNT in the solvent was inserted into the polysilane coating by applying a potential gradient of 2 × 10 3 V / cm with the conductive substrate as a negative electrode.
このようにして得た電極をアノードとして水素標準電極に対し+1Vの電位を印加しつつ70%硫酸液中で酸化し、上記CNTにカルボキシ基を導入した。これをジクロロメタンに浸漬し、導入されたカルボキシ基の約100倍モルに相当するオキサリルクロリドと数滴のジメチルホルムアミドを添加して室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、上記カルボキシ基を酸クロリド基に変換した。これをジクロロメタンで洗浄し、テトラヒドロフラン溶媒中へ移す。ここに1,3-プロパンジアミンを上記同様に約100倍モルになるように添加し、室温で4〜12時間程度撹拌しながら反応させることにより、アミノ基を導入した。 The electrode thus obtained was used as an anode and oxidized in a 70% sulfuric acid solution while applying a potential of +1 V to the hydrogen standard electrode to introduce a carboxy group into the CNT. This was immersed in dichloromethane, and oxalyl chloride corresponding to about 100 times mole of the introduced carboxy group and a few drops of dimethylformamide were added and reacted at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours. Was converted to an acid chloride group. This is washed with dichloromethane and transferred into tetrahydrofuran solvent. 1,3-propanediamine was added to the mixture so as to be about 100 times mol as described above, and the amino group was introduced by reacting at room temperature with stirring for about 4 to 12 hours.
一方、実施例1と同様の方法でAQDSのスルホン酸基を酸クロリド基に変換したものを用意し、これをテトラヒドロフラン溶媒中で上記アミノ基を導入したCNTと接触させ、添加したスルホニルクロリドに対し5倍モルに相当する量のトリエチルアミンを共存させつつ室温で12時間程度反応させることにより、グラファイトと電子メディエータとの間にスルホンアミド結合を形成した。 On the other hand, prepared by converting the sulfonic acid group of AQDS into an acid chloride group in the same manner as in Example 1, which was brought into contact with the CNT having the amino group introduced thereinto in a tetrahydrofuran solvent, with respect to the added sulfonyl chloride A sulfonamide bond was formed between graphite and the electron mediator by reacting at room temperature for about 12 hours in the presence of an amount of triethylamine corresponding to 5 moles.
このアノードを用い、pH7の水溶液中において印加電位を-0.28V〜-0.18V(水素標準電極電位)までシフトすることによって放電が行われたことから、アノードの標準電極電位E0’は-0.28V〜-0.18Vの間にあると考えられる。また、AQDSの固定化密度は導電性基材の投影面積あたり4μmol/cm2程度であった。 Using this anode, the discharge was performed by shifting the applied potential from -0.28 V to -0.18 V (hydrogen standard electrode potential) in an aqueous solution of pH 7, so that the standard electrode potential E 0 ′ of the anode was −0.28. It is considered to be between V and -0.18V. The immobilization density of AQDS was about 4 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate.
比較例3において生物発電装置に装備した対照アノードは、実施例3で用いたと同じ多孔質グラファイトに直接+1Vの電位を印加しつつ70%硫酸液中で酸化し、カルボキシ基を導入した。その後は実施例3と同様にアミノ基の導入を行い、予めスルホン酸基をスルホン酸クロリド基に変換しておいたAQDSとスルホンアミド結合を形成させることにより対照アノード(3)を作製した。 In Comparative Example 3, the control anode equipped in the bioelectric power generation apparatus was oxidized in a 70% sulfuric acid solution while directly applying a potential of +1 V to the same porous graphite used in Example 3 to introduce a carboxy group. Thereafter, an amino group was introduced in the same manner as in Example 3, and a control anode (3) was produced by forming a sulfonamide bond with AQDS in which a sulfonic acid group was converted to a sulfonic acid chloride group in advance.
対照アノード(3)の標準電極電位E0’は-0.21V〜-0.16Vの範囲内にあった。また、AQDSの固定化密度は導電性基材の投影面積あたり5μmol/cm2程度であった。 The standard electrode potential E 0 ′ of the control anode (3) was in the range of −0.21V to −0.16V. The immobilization density of AQDS was about 5 μmol / cm 2 per projected area of the conductive substrate.
<発電性能>
実施例3及び比較例3で得たアノードを用いて図4に示す生物発電装置で行った発電試験結果を表-7に示す。
<Power generation performance>
Table 7 shows the results of a power generation test performed on the biopower generation device shown in FIG. 4 using the anodes obtained in Example 3 and Comparative Example 3.
測定期間中の平均発生電流は、実施例3の方が比較例3に比べて1.85倍の高い値を示した。また、平均発生電圧は実施例3の方が比較例3に比べて1.5倍の高い値を示した。この結果より、グラファイトの導電性基材に対して導電性ファイバー(VGCF)を介してAQCを固定化したアノードの方が、カーボンブラックにAQCを固定化して塗布したアノードよりも発電性能において優れていることが認められた。 The average generated current during the measurement period was 1.85 times higher in Example 3 than in Comparative Example 3. The average generated voltage of Example 3 was 1.5 times higher than that of Comparative Example 3. From this result, the anode in which AQC is immobilized on the graphite conductive substrate via the conductive fiber (VGCF) is superior in power generation performance than the anode in which AQC is immobilized on carbon black. It was recognized that
なお、実施例3で得られた発生電流は実施例1で得られたものの76%程度と、やや低い値を示した。これは電子メディエータの固定化密度が低かったためと考えられる。ただし実施例3で作製した電気泳動法による固定化導電性ファイバー(CNT)は多孔質ポリシランにより保持されているため、長期間使用する場合の耐久性に優れることが期待される。 The generated current obtained in Example 3 was a little lower value, about 76% of that obtained in Example 1. This is probably because the immobilization density of the electron mediator was low. However, since the immobilized conductive fiber (CNT) produced by electrophoresis in Example 3 is held by porous polysilane, it is expected to have excellent durability when used for a long period of time.
以上説明したように、本発明の生物発電アノードを利用する生物発電により、廃水、廃液、し尿、食品廃棄物、その他の有機性廃棄物、汚泥などの含水有機性物質またはその分解物を効率的に酸化分解し、従来の生物電池よりも多くの電気エネルギーを得ることが可能である。本発明は、含水有機性物質の酸化分解、および還元電位を利用した発電方法として広く利用されることが期待される。 As described above, bioelectric power generation using the bioelectric power generation anode of the present invention makes it possible to efficiently remove water-containing organic substances such as waste water, waste liquid, human waste, food waste, other organic waste, sludge, or decomposition products thereof. It is possible to obtain more electrical energy than conventional biological batteries. The present invention is expected to be widely used as a power generation method utilizing oxidative decomposition of a water-containing organic substance and a reduction potential.
1:生物発電用アノード
2:隔膜
3:カソード
4:内筒体内部
5:筒状体周囲の空間
6:導線
7:空気室
8:流入ポンプ
9:流入部
10:流出部
11:処理済み有機性物質排出部
12:循環ポンプ
13:余剰汚泥排出口
14:空気ブロワ
15:排気口
16:凝縮水ドレイン
17:アノードとの接続部
18:カソードとの接続部
19:排気口
20:多孔質マトリックス
21:触媒
22:空気ネットワーク
23:水溶液ネットワーク
24:セパレータ
25:セルフレーム(嫌気性域:アノード側)
26:セルフレーム(好気性域:カソード側)
27:含水有機性物質注入口
28:分解廃液排出口
29:空気導入口
30:空気排出口
31:嫌気性域(生物反応室)
32:好気性域(空気反応室)
1: Bioelectric power generation anode 2: Diaphragm 3: Cathode 4: Inner cylindrical interior 5: Space around the cylindrical body 6: Conductor 7: Air chamber 8: Inflow pump 9: Inflow section 10: Outflow section 11: Treated organic Substance discharge section 12: Circulation pump 13: Excess sludge discharge port 14: Air blower 15: Exhaust port 16: Condensate drain 17: Connection portion with anode 18: Connection portion with cathode 19: Exhaust port 20: Porous matrix 21: Catalyst 22: Air network 23: Aqueous solution network 24: Separator 25: Cell frame (anaerobic region: anode side)
26: Cell frame (aerobic region: cathode side)
27: Hydrous organic substance inlet 28: Decomposition waste outlet 29: Air inlet 30: Air outlet 31: Anaerobic zone (biological reaction chamber)
32: Aerobic area (air reaction chamber)
Claims (16)
導電性基材を準備する前処理工程と、
導電性基材に対して導電性ファイバーが突出するように導電性ファイバーを固定する導電性ファイバー固定工程と、
導電性ファイバーに対して電子メディエータを固定化して導入する電子メディエータ導入工程とを行う生物発電用アノードの製造方法。 A method for producing an anode for bioelectric power generation according to any one of claims 1 to 8,
A pretreatment step of preparing a conductive substrate;
A conductive fiber fixing step for fixing the conductive fiber so that the conductive fiber protrudes from the conductive substrate;
A method for producing an anode for bioelectric power generation, comprising performing an electron mediator introduction step of immobilizing and introducing an electron mediator to a conductive fiber.
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