JP2009231231A - Microbial power generation method, and device - Google Patents

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和也 小松
Tetsuro Fukase
哲朗 深瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance efficiency of microbial power generation in a microbial power generation device retaining an oxidation reduction catalyst in a positive electrode chamber solution. <P>SOLUTION: By arranging two plate-like anion exchange membranes 31, 31 parallel in a bath 30, a negative electrode chamber 32 is formed between the anion exchange membranes 31, 31, and two positive electrode chambers 33, 33 are formed by being separated with the negative electrode chamber 32 and each of the anion exchange membranes 31. Oxygen-containing gas is supplied to an air diffusion pipe 51 of the positive electrode chamber 33 to aerate a positive electrode solution, a negative electrode solution L is supplied to the negative electrode chamber, and preferably, the negative electrode solution is circulated. The positive electrode solution is kept in pH 9-12 and contains manganese ions. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、微生物の代謝反応を利用する発電方法および装置に関する。本発明は特に、有機物を微生物に酸化分解させる際に得られる還元力を電気エネルギーとして取り出す微生物発電方法およびその装置に関する。   The present invention relates to a power generation method and apparatus using a metabolic reaction of microorganisms. In particular, the present invention relates to a microbial power generation method and apparatus for taking out the reducing power obtained when an organic substance is oxidatively decomposed into microorganisms as electric energy.

近年、地球環境に配慮した発電方法へのニーズが高まり、微生物発電の技術開発も進められている。微生物発電は、微生物が有機物を資化する際に得られる電気エネルギーを取り出すことにより発電する方法である。   In recent years, the need for a power generation method in consideration of the global environment has increased, and technological development of microbial power generation has been promoted. Microbial power generation is a method of generating electricity by taking out electrical energy obtained when microorganisms assimilate organic matter.

一般的に、微生物発電では負極が配置された負極室内に、微生物、微生物に資化される有機物、および電子伝達媒体(電子メディエータ)を共存させる。電子メディエータは微生物体内に入り、微生物が有機物を酸化して発生する電子を受け取って負極に渡す。負極は外部抵抗(負荷)を介して正極と電気的に導通しており、負極に渡された電子は外部抵抗(負荷)を介して正極に移動し、正極と接する電子受容体に渡される。このような電子の移動により正極と負極との間に電流が流れる。   In general, in microbial power generation, microorganisms, organic substances assimilated by microorganisms, and electron transfer media (electron mediators) coexist in a negative electrode chamber in which a negative electrode is arranged. The electron mediator enters the microorganism, receives the electrons generated by the microorganisms oxidizing the organic matter, and passes them to the negative electrode. The negative electrode is electrically connected to the positive electrode via an external resistance (load), and the electrons transferred to the negative electrode move to the positive electrode via the external resistance (load) and are transferred to the electron acceptor in contact with the positive electrode. A current flows between the positive electrode and the negative electrode due to such movement of electrons.

微生物発電では、電子メディエータが微生物体から直接、電子を取り出すため、理論上のエネルギー変換効率は高い。しかし、実際のエネルギー変換効率は低く、発電効率の向上が求められている。そこで、発電効率を高めるため、電極の材料や構造、電子メディエータの種類、および微生物種の選択等について様々な検討および開発が行われている(例えば特許文献1〜3)。   In microbial power generation, the electron mediator takes out electrons directly from the microbial body, so the theoretical energy conversion efficiency is high. However, actual energy conversion efficiency is low, and improvement in power generation efficiency is required. Therefore, in order to increase power generation efficiency, various studies and developments have been made on electrode materials and structures, types of electron mediators, selection of microbial species, and the like (for example, Patent Documents 1 to 3).

特許文献1には、正極室と負極室とを固体電解質よりなるアルカリイオン導電体で隔て、正極室内及び負極室内をリン酸緩衝液(バッファ)でpH7とし、正極室内に空気を吹き込んで発電を行うことが記載されている。この特許文献1の第0010段落には、正極溶液中に酸化還元試薬としてフェリシアン化カリウムを存在させることが記載されている。   In Patent Document 1, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are separated by an alkali ion conductor made of a solid electrolyte, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are set to pH 7 with a phosphate buffer (buffer), and air is blown into the positive electrode chamber to generate power. It is described to do. In paragraph 0010 of Patent Document 1, it is described that potassium ferricyanide is present as a redox reagent in the positive electrode solution.

特許文献2には、正極室と負極室とを区画するイオン交換膜等の電解質膜に接触するように、正極及び負極を設置し、正極室を空室とし、空気を流通させることが記載されている。この特許文献2の第0012〜0013段落には、正極に電極反応促進用の触媒としてMnOを担持させることが記載されている。 Patent Document 2 describes that a positive electrode and a negative electrode are installed so as to be in contact with an electrolyte membrane such as an ion exchange membrane that partitions the positive electrode chamber and the negative electrode chamber, the positive electrode chamber is an empty chamber, and air is circulated. ing. In paragraphs 0012 to 0013 of Patent Document 2, it is described that MnO 2 is supported on the positive electrode as a catalyst for promoting electrode reaction.

特許文献3には、正極室と負極室とをプロトン交換膜で区画し、正極溶液に鉄イオンを含有させ、正極溶液を酸素含有ガスで曝気することが記載されている。   Patent Document 3 describes that a positive electrode chamber and a negative electrode chamber are partitioned by a proton exchange membrane, iron ions are contained in the positive electrode solution, and the positive electrode solution is aerated with an oxygen-containing gas.

同号公報では、微生物によりFe2+をFe3+に酸化させ、このFe3+を正極表面での還元電極反応Fe3++e→Fe2+に供している。
特開2000−133326号公報 特開2004−342412号公報 特表2007−505442号公報
In the publication, Fe 2+ is oxidized to Fe 3+ by microorganisms, and this Fe 3+ is subjected to a reduction electrode reaction Fe 3+ + e → Fe 2+ on the surface of the positive electrode.
JP 2000-133326 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-342412 Special Table 2007-505442

正極溶液中に存在させる酸化還元試薬としてのフェリシアン化カリウムは、高価であり、発電コストが高くなる。   Potassium ferricyanide as a redox reagent to be present in the positive electrode solution is expensive and increases the power generation cost.

特許文献3のように鉄イオンを用いる場合、水酸化鉄の沈殿生成を防止するために正極溶液をpH1〜2特に1.8の強酸性にするものと考えられるが(同号公報0044、0047段落)、このような強酸性の溶液に対する耐食性を有した容器、配管等の部材はコスト高である。   In the case where iron ions are used as in Patent Document 3, it is considered that the positive electrode solution is made to be strongly acidic at pH 1-2, particularly 1.8 in order to prevent the precipitation of iron hydroxide (Patent Documents 0044 and 0047). Paragraph), members such as containers and pipes having corrosion resistance to such strongly acidic solutions are expensive.

なお、正極室と負極室とをカチオン交換膜で区画し、正極溶液にマンガンイオンを含有させ、マンガンイオンを微生物酸化させるようにした微生物発電装置について試験を行ったところ、発電量が小さかった。これは、負極室側から正極室側へのプロトンの移動速度が小さいためであると考えられる。   In addition, when the microbial power generation apparatus in which the positive electrode chamber and the negative electrode chamber were partitioned with a cation exchange membrane and manganese ions were contained in the positive electrode solution and the manganese ions were microbially oxidized was tested, the power generation amount was small. This is presumably because the proton moving speed from the negative electrode chamber side to the positive electrode chamber side is small.

本発明は、上記従来の問題点を解決し、正極に正極溶液を保持させた微生物発電装置において、コストを徒に増加させることなく、微生物発電の効率を高くすることができる微生物発電方法及び装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in a microbial power generation apparatus in which a positive electrode solution is held on a positive electrode, a microbial power generation method and apparatus that can increase the efficiency of microbial power generation without increasing costs. The purpose is to provide.

本発明(請求項1)の微生物発電方法は、負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、該負極室に対しイオン交換膜を介して隔てられており、正極を有し、正極溶液を保持した正極室とを備えた微生物発電装置の該正極溶液に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、該イオン交換膜がアニオン交換膜であり、該正極溶液中にマンガンイオンを存在させ、該正極溶液のpHを9以上とすることを特徴とするものである。   The microbial power generation method of the present invention (Claim 1) has a negative electrode, a negative electrode chamber holding a liquid containing microorganisms and an electron donor, and is separated from the negative electrode chamber via an ion exchange membrane. In a microbial power generation method for generating power by supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode solution of a microbial power generation apparatus having a positive electrode chamber holding a positive electrode solution, the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, Manganese ions are present in the positive electrode solution, and the pH of the positive electrode solution is 9 or more.

請求項2の微生物発電方法は、請求項1において、前記正極溶液のpHを11以上とすることを特徴とするものである。   The microbial power generation method according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the pH of the positive electrode solution is 11 or more.

請求項3の微生物発電方法は、請求項1又は2において、前記正極溶液のマンガンイオン濃度がMnOに換算して1,000〜50,000mg/Lであることを特徴とするものである。 The microbial power generation method according to claim 3 is characterized in that, in claim 1 or 2, the manganese ion concentration of the positive electrode solution is 1,000 to 50,000 mg / L in terms of MnO 2 .

本発明(請求項4)の微生物発電装置は、負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、該負極室に対しイオン交換膜を介して隔てられており、正極を有し、正極溶液を保持した正極室と、該正極溶液に酸素を供給する酸素供給手段と、を備えた微生物発電装置において、該イオン交換膜がアニオン交換膜であり、該正極溶液がマンガンイオンを含有すると共に、pH9以上であることを特徴とするものである。   The microbial power generation device of the present invention (Claim 4) has a negative electrode, and is separated from a negative electrode chamber holding a liquid containing microorganisms and an electron donor, and the negative electrode chamber via an ion exchange membrane. And a positive electrode chamber that holds the positive electrode solution, and an oxygen supply unit that supplies oxygen to the positive electrode solution, wherein the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, and the positive electrode solution is manganese In addition to containing ions, the pH is 9 or more.

請求項5の微生物発電装置は、請求項4において、前記酸素供給手段として、前記正極室内を曝気するように散気管を設けたことを特徴とするものである。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a microorganism power generation apparatus according to the fourth aspect, characterized in that an aeration tube is provided as the oxygen supply means so as to aerate the positive electrode chamber.

請求項6の微生物発電装置は、請求項4において、前記酸素供給手段として、前記正極室内の正極溶液を受け入れて曝気し、曝気した正極溶液を前記正極室に戻す曝気室を設けたことを特徴とするものである。   The microorganism power generation apparatus according to claim 6 is characterized in that in claim 4, the oxygen supply means is provided with an aeration chamber that receives and aerates the positive electrode solution in the positive electrode chamber and returns the aerated positive electrode solution to the positive electrode chamber. It is what.

本発明は、正極室と負極室とをアニオン交換膜で区画し、正極溶液をpH9以上とし、この正極溶液中にマンガンイオンを存在させ、この正極溶液に曝気等によって酸素を供給するようにしたものである。   In the present invention, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber are partitioned by an anion exchange membrane, the positive electrode solution is adjusted to pH 9 or more, manganese ions are present in the positive electrode solution, and oxygen is supplied to the positive electrode solution by aeration or the like. Is.

かかる本発明では、負極室側から正極室側へのプロトンの移動速度が大きく、微生物発電の発電効率が高い。また、pH9以上の正極溶液に酸素含有ガスを供給すると、酸素ガスとマンガンイオンとが直接的に反応する。すなわち、酸素ガスが溶存酸素にならなくてもマンガンイオンと反応する。そのため、酸素の反応効率が高く、少ない酸素含有ガス供給量でマンガンイオンを十分に酸化することができる。   In the present invention, the proton moving speed from the negative electrode chamber side to the positive electrode chamber side is high, and the power generation efficiency of microbial power generation is high. Further, when an oxygen-containing gas is supplied to the positive electrode solution having a pH of 9 or more, the oxygen gas and manganese ions react directly. That is, even if oxygen gas does not become dissolved oxygen, it reacts with manganese ions. Therefore, the reaction efficiency of oxygen is high, and manganese ions can be sufficiently oxidized with a small supply amount of oxygen-containing gas.

また、本発明によれば、正極溶液をアルカリ性とするので、強酸性とする場合に比べて装置を構成する部材コストが安価なものとなる。   In addition, according to the present invention, since the positive electrode solution is made alkaline, the cost of members constituting the apparatus is lower than that in the case of making it strongly acidic.

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

第1図は本発明の実施の形態に係る微生物発電装置の概略的な構成を示す模式的断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a microbial power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.

槽体1内がアニオン交換膜2によって正極室3と負極室4とに区画されている。正極室3内にあっては、アニオン交換膜2に密着するように、導電性多孔質材料よりなる正極5が配置されている。正極5と槽体1の壁面との間のスペースは正極溶液で満たされている。この正極溶液を曝気するように、正極室3内の下部に散気管7が設けられている。この散気管7に空気などの酸素含有ガスが導入され、正極室上部のガス流出口8から曝気排ガスが流出する。なお、曝気に伴って正極溶液が蒸発したり、飛散して減少するので、弁15を有した補給口16から補充用の正極溶液を適宜供給する。   The tank body 1 is partitioned into a positive electrode chamber 3 and a negative electrode chamber 4 by an anion exchange membrane 2. In the positive electrode chamber 3, a positive electrode 5 made of a conductive porous material is disposed so as to be in close contact with the anion exchange membrane 2. The space between the positive electrode 5 and the wall surface of the tank body 1 is filled with the positive electrode solution. A diffuser tube 7 is provided in the lower part of the positive electrode chamber 3 so as to aerate the positive electrode solution. Oxygen-containing gas such as air is introduced into the diffuser tube 7 and aeration exhaust gas flows out from the gas outlet 8 at the upper part of the positive electrode chamber. In addition, since the positive electrode solution evaporates or decreases due to aeration, the replenishment positive electrode solution is appropriately supplied from the replenishing port 16 having the valve 15.

この正極溶液のpHは9以上好ましくは9〜12、特に好ましくは10.5〜12とりわけ11〜12である。この正極溶液には、マンガンイオンが溶解している。マンガンイオンの濃度の好ましい範囲については後に詳述する。   The pH of this positive electrode solution is 9 or more, preferably 9 to 12, particularly preferably 10.5 to 12, especially 11 to 12. Manganese ions are dissolved in this positive electrode solution. A preferable range of the manganese ion concentration will be described in detail later.

負極室4内には、導電性多孔質材料よりなる負極6が配置されている。この負極6は、アニオン交換膜2に密着しており、負極6からアニオン交換膜2にプロトン(H)が受け渡し可能となっている。 A negative electrode 6 made of a conductive porous material is disposed in the negative electrode chamber 4. The negative electrode 6 is in close contact with the anion exchange membrane 2, and protons (H + ) can be transferred from the negative electrode 6 to the anion exchange membrane 2.

この多孔質材料よりなる負極6に微生物が担持されている。負極室4には流入口4aから負極溶液Lを導入し、流出口4bから廃液を排出させる。なお、負極室4内は嫌気性とされる。   Microorganisms are supported on the negative electrode 6 made of this porous material. The negative electrode solution 4 is introduced into the negative electrode chamber 4 from the inlet 4a, and the waste liquid is discharged from the outlet 4b. The inside of the negative electrode chamber 4 is anaerobic.

負極室4内の負極溶液Lは循環往口9、循環配管10、循環用ポンプ11及び循環戻口12を介して循環される。この循環配管10には、負極室4から流出してきた液のpHを測定するpH計14が設けられると共に、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ添加用配管13が接続されている。   The negative electrode solution L in the negative electrode chamber 4 is circulated through a circulation outlet 9, a circulation pipe 10, a circulation pump 11 and a circulation return port 12. The circulation pipe 10 is provided with a pH meter 14 for measuring the pH of the liquid flowing out from the negative electrode chamber 4 and connected with an alkali addition pipe 13 such as a sodium hydroxide aqueous solution.

負極室4内のpHを7〜9とし、正極室3内をpH9以上とすると、正極室3内に多量に存在するOHがアニオン交換膜を透過して負極室4内に移動する。そして、散気管7に空気を供給して正極室3内の正極溶液を曝気すると共に、必要に応じポンプ11を作動させて負極溶液Lを循環させることにより、負極室4において微生物の作用により、有機物とOHとが反応し、COとHOとeとの生成反応が進行する。例えば、有機物が酢酸の場合は、
CHCOOH+8OH→2CO+6HO+8e
という反応が進行する。この電子eが負極6、端子22、外部抵抗21、端子20を経て正極5へ流れる。
When the pH in the negative electrode chamber 4 is set to 7 to 9 and the positive electrode chamber 3 is set to pH 9 or more, OH present in a large amount in the positive electrode chamber 3 permeates the anion exchange membrane and moves into the negative electrode chamber 4. Then, air is supplied to the air diffuser tube 7 to aerate the positive electrode solution in the positive electrode chamber 3, and the negative electrode solution L is circulated by operating the pump 11 as necessary. The organic substance reacts with OH , and the formation reaction of CO 2 , H 2 O and e proceeds. For example, when the organic substance is acetic acid,
CH 3 COOH + 8OH → 2CO 2 + 6H 2 O + 8e
The reaction proceeds. The electrons e flow to the positive electrode 5 through the negative electrode 6, the terminal 22, the external resistor 21, and the terminal 20.

一方、正極室3では、水中におけるMn2++2O+2HO→MnO+4OHもしくは、Mn2++1/2O+HO→Mn4++2OHというマンガンイオン(II)の酸化反応と、正極5上におけるMnO+2HO+8e→Mn2++4OH又はMn4++2e→Mn2+というマンガンイオン(IV)の還元反応とが併行して進行し、正極室3の全体で見ると
+2HO+4e→4OH
なる電子の消費反応及びOHの生成反応が進行する。生成したOHは、アニオン交換膜を透過して負極室4へ移動する。このような反応により、正極5と負極6との間に起電力が生じ、端子20,22を介して外部抵抗21に電流が流れる。
On the other hand, in the positive electrode chamber 3, the manganese ion (II) oxidation reaction of Mn 2+ + 2O 2 + 2H 2 O → MnO 2 + 4OH or Mn 2+ + 1 / 2O 2 + H 2 O → Mn 4+ + 2OH in water and the positive electrode 5 MnO 2 + 2H 2 O + 8e on - Mn 2+ + 4OH - or Mn 4+ + 2e -Mn 2+ that proceed the reduction reaction and is concurrently manganese ion (IV), when viewed in the entire positive electrode chamber 3
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH
The electron consumption reaction and the OH production reaction proceed. The generated OH permeates the anion exchange membrane and moves to the negative electrode chamber 4. Due to such a reaction, an electromotive force is generated between the positive electrode 5 and the negative electrode 6, and a current flows to the external resistor 21 through the terminals 20 and 22.

負極室4では、微生物による水の分解反応によりCOが生成することにより、pHが低下しようとする。そこで、pH計14の検出pHが好ましくは7〜9となるようにアルカリが負極溶液Lに添加される。このアルカリは、負極室6に直接に添加されてもよいが、循環水に添加することにより、負極室6内の全域を部分的な偏りなしにpH7〜9に保つことができる。なお、負極室4のpHが7〜9の範囲からはずれると負極室4での生物反応が著しく抑制され、発電効率が低下する。 In the negative electrode chamber 4, the pH tends to decrease due to the generation of CO 2 by the decomposition reaction of water by microorganisms. Therefore, alkali is added to the negative electrode solution L so that the detected pH of the pH meter 14 is preferably 7-9. This alkali may be added directly to the negative electrode chamber 6, but by adding to the circulating water, the entire area in the negative electrode chamber 6 can be maintained at pH 7 to 9 without partial bias. In addition, when the pH of the negative electrode chamber 4 is out of the range of 7 to 9, the biological reaction in the negative electrode chamber 4 is remarkably suppressed, and the power generation efficiency decreases.

第2図は本発明の別の実施の形態に係る微生物発電装置の概略的な断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a microbial power generation apparatus according to another embodiment of the present invention.

略直方体形状の槽体30内に2枚の板状のアニオン交換膜31が互いに平行に配置されることにより、該アニオン交換膜31,31同士の間に負極室32が形成され、該負極室32とそれぞれ該アニオン交換膜31を隔てて2個の正極室33,33が形成されている。   Two plate-like anion exchange membranes 31 are arranged in parallel to each other in a substantially rectangular parallelepiped tank 30 to form a negative electrode chamber 32 between the anion exchange membranes 31, 31. Two positive electrode chambers 33, 33 are formed with the anion exchange membrane 31 being spaced from each other.

負極室32内には、各アニオン交換膜31と密着するように、多孔質材料よりなる負極34が配置されている。負極34は、アニオン交換膜に対し軽く(例えば0.1kg/cm以下の圧力で)押し付けられている。 A negative electrode 34 made of a porous material is disposed in the negative electrode chamber 32 so as to be in close contact with each anion exchange membrane 31. The negative electrode 34 is lightly pressed against the anion exchange membrane (for example, at a pressure of 0.1 kg / cm 2 or less).

正極室33内には、アニオン交換膜31と接して多孔質材料よりなる正極35が配置されている。この正極35は、ゴム等よりなるスペーサ36に押圧されてアニオン交換膜31に軽く(例えば0.1kg/cm以下の圧力で)押し付けられて密着している。正極35とアニオン交換膜31との密着性を高めるために、両者を溶着したり、部分的に接着剤で接着してもよい。 In the positive electrode chamber 33, a positive electrode 35 made of a porous material is disposed in contact with the anion exchange membrane 31. The positive electrode 35 is pressed against a spacer 36 made of rubber or the like and is lightly pressed (for example, with a pressure of 0.1 kg / cm 2 or less) and is in close contact with the anion exchange membrane 31. In order to improve the adhesion between the positive electrode 35 and the anion exchange membrane 31, they may be welded or partially bonded with an adhesive.

この正極35及び負極34は、端子37,39を介して外部抵抗38に接続されている。   The positive electrode 35 and the negative electrode 34 are connected to an external resistor 38 via terminals 37 and 39.

正極35と槽体30の側壁との間のスペースは正極溶液が満たされている。各正極室33内の下部に散気管51が設置され、正極溶液が曝気可能とされている。曝気排ガスは、正極室33の上部のガス流出口52から流出する。なお、図示は省略するが、各正極室33に対し正極溶液を補充するように補給口が設けられている。正極溶液pHは9以上、好ましくは9〜12、特に好ましくは10.5〜12とりわけ11〜12となっている。正極溶液にはマンガンイオンが溶解している。   The space between the positive electrode 35 and the side wall of the tank body 30 is filled with the positive electrode solution. A diffuser tube 51 is installed in the lower part of each positive electrode chamber 33 so that the positive electrode solution can be aerated. Aeration exhaust gas flows out from the gas outlet 52 at the top of the positive electrode chamber 33. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the replenishing port is provided so that the positive electrode solution may be replenished with respect to each positive electrode chamber 33. FIG. The positive electrode solution pH is 9 or more, preferably 9 to 12, particularly preferably 10.5 to 12, especially 11 to 12. Manganese ions are dissolved in the positive electrode solution.

負極室32には、流入口32aから負極溶液Lが導入され、流出口32bから廃液が流出する。負極室32内は嫌気性とされる。   The negative electrode solution 32 is introduced into the negative electrode chamber 32 from the inlet 32a, and the waste liquid flows out from the outlet 32b. The inside of the negative electrode chamber 32 is anaerobic.

負極室32内の負極溶液は、循環往口41、循環配管42、循環ポンプ43及び循環戻口44を介して循環される。この循環配管42に、pH計47が設けられると共に、アルカリ添加用配管45が接続されている。負極室32から流出する負極溶液のpHをpH計47で検出し、このpHが好ましくは7〜9となるように水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリが添加される。   The negative electrode solution in the negative electrode chamber 32 is circulated through the circulation outlet 41, the circulation pipe 42, the circulation pump 43 and the circulation return port 44. The circulation pipe 42 is provided with a pH meter 47 and an alkali addition pipe 45 is connected thereto. The pH of the negative electrode solution flowing out from the negative electrode chamber 32 is detected by a pH meter 47, and an alkali such as an aqueous sodium hydroxide solution is added so that this pH is preferably 7-9.

この第2図の微生物発電装置においても、散気管51に酸素含有ガスを供給して正極室33内の正極溶液を曝気すると共に、負極室32に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極35と負極34との間に電位差が生じ、外部抵抗38に電流が流れる。   Also in the microbial power generation apparatus of FIG. 2, the oxygen-containing gas is supplied to the air diffuser 51 to aerate the positive electrode solution in the positive electrode chamber 33, and the negative electrode solution is circulated through the negative electrode chamber 32, preferably circulating the negative electrode solution. As a result, a potential difference is generated between the positive electrode 35 and the negative electrode 34, and a current flows through the external resistor 38.

第1,2図では、散気管を正極室3,33内に配置して正極室3,33内で正極溶液の曝気を行っているが、正極室内の正極溶液を別の曝気室に導入して曝気してもよい。   In FIGS. 1 and 2, the diffuser tube is arranged in the positive electrode chambers 3 and 33 and the positive electrode solution is aerated in the positive electrode chambers 3 and 33. However, the positive electrode solution in the positive electrode chamber is introduced into another aeration chamber. May be aerated.

第3図は、第2図の微生物発電装置において、正極室とは別個に曝気室63を設けた実施の形態を示している。   FIG. 3 shows an embodiment in which the aeration chamber 63 is provided separately from the positive electrode chamber in the microbial power generation apparatus of FIG.

この第3図の実施の形態では、正極室33内の正極溶液を取出口61から配管62及びポンプ66を介して曝気室63に導入し、散気管63aで曝気する。曝気排ガスは曝気室の排ガス流出口63bから流出する。曝気処理された正極溶液は、配管64及び戻口65を介して正極室33に戻る。   In the embodiment shown in FIG. 3, the positive electrode solution in the positive electrode chamber 33 is introduced from the outlet 61 into the aeration chamber 63 through the pipe 62 and the pump 66, and aerated by the aeration tube 63a. Aeration exhaust gas flows out from the exhaust gas outlet 63b of the aeration chamber. The aerated positive electrode solution returns to the positive electrode chamber 33 via the pipe 64 and the return port 65.

正極室33には曝気排ガス流出口52は設けられていないが、ガスベント部を設けてもよい。当然ながら、正極室33内には散気管は設けられていない。   Although the aeration exhaust gas outlet 52 is not provided in the positive electrode chamber 33, a gas vent portion may be provided. Of course, no aeration tube is provided in the positive electrode chamber 33.

この正極溶液もpHが9以上、好ましくは9〜12、特に好ましくは10.5〜12とりわけ11〜12となっており、またマンガンイオンが溶解している。   This positive electrode solution also has a pH of 9 or more, preferably 9 to 12, particularly preferably 10.5 to 12, especially 11 to 12, and manganese ions are dissolved therein.

この第3図の微生物発電装置のその他の構成は第2図と同様であり、同一符号は同一部分を示している。   Other configurations of the microbial power generation apparatus of FIG. 3 are the same as those of FIG. 2, and the same reference numerals denote the same parts.

この第3図の微生物発電装置においても、正極室33内の正極溶液を曝気室63を介して循環させ、該曝気室63内で曝気すると共に、負極室32に負極溶液を流通させ、好ましくは負極溶液を循環させることにより、正極35と負極34との間に電位差が生じ、外部抵抗38に電流が流れる。   Also in the microbial power generation apparatus of FIG. 3, the positive electrode solution in the positive electrode chamber 33 is circulated through the aeration chamber 63 and aerated in the aeration chamber 63, and the negative electrode solution is circulated in the negative electrode chamber 32, preferably By circulating the negative electrode solution, a potential difference is generated between the positive electrode 35 and the negative electrode 34, and a current flows through the external resistor 38.

次に、この微生物発電装置の微生物、負極溶液、正極溶液などのほか、アニオン交換膜、負極及び正極の好適な材料等について説明する。   Next, in addition to the microorganisms, negative electrode solution, positive electrode solution, and the like of this microbial power generation device, suitable materials for the anion exchange membrane, the negative electrode, and the positive electrode will be described.

負極溶液L中に含有させることで電気エネルギーを産生させる微生物は、電子供与体としての機能を有するものであれば特に制限されない。例えば、Saccharomyces、Hansenula、Candida、Micrococcus、Staphylococcus、Streptococcus、Leuconostoa、Lactobacillus、Corynebacterium、Arthrobacter、Bacillus、Clostridium、Neisseria、Escherichia、Enterobacter、Serratia、Achromobacter、Alcaligenes、Flavobacterium、Acetobacter、Moraxella、Nitrosomonas、Nitorobacter、Thiobacillus、Gluconobacter、Pseudomonas、Xanthomonas、Vibrio、Comamonas及びProteus(Proteus vulgaris)の各属に属する細菌、糸状菌、酵母などを挙げることができる。このような微生物を含む汚泥として下水等の有機物含有水を処理する生物処理槽から得られる活性汚泥、下水の最初沈澱池からの流出水に含まれる微生物、嫌気性消化汚泥等を植種として負極室に供給し、微生物を負極に保持させることができる。発電効率を高くするためには、負極室内に保持される微生物量は高濃度であることが好ましく、例えば微生物濃度は1〜50g/Lであることが好ましい。   Microorganisms that produce electrical energy by being contained in the negative electrode solution L are not particularly limited as long as they have a function as an electron donor. For example, Saccharomyces, Hansenula, Candida, Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Leuconostoa, Lactobacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Bacillus, Clostridium, Neisseria, Escherichia, Enterobacter, Serratia, Aigenes Examples include bacteria, filamentous fungi, and yeasts belonging to the genera Gluconobacter, Pseudomonas, Xanthomonas, Vibrio, Comamonas, and Proteus (Proteus vulgaris). As a sludge containing such microorganisms, activated sludge obtained from biological treatment tanks that treat organic matter-containing water such as sewage, microorganisms contained in effluent from the first sedimentation basin of sewage, anaerobic digested sludge, etc. The microorganism can be held in the negative electrode by supplying to the chamber. In order to increase the power generation efficiency, the amount of microorganisms retained in the negative electrode chamber is preferably high, and for example, the microorganism concentration is preferably 1 to 50 g / L.

負極溶液Lとしては、微生物又は細胞を保持し、かつ発電に必要な組成を有する溶液が用いられる。例えば、呼吸系の発電を行う場合は、負極側の溶液としては、ブイヨン培地、M9培地、L培地、Malt Extract、MY培地、硝化菌選択培地などの呼吸系の代謝を行うのに必要なエネルギー源や栄養素などの組成を有する培地が利用できる。負極溶液Lは有機物を含むものである。この有機物としては、微生物によって分解されるものであれば特に制限はなく、例えば水溶性の有機物、水中に分散する有機物微粒子などが用いられる。負極溶液は、下水、食品工場排水などの有機性廃液や、生ゴミ等の有機性廃棄物の分散液等であってもよい。負極溶液L中の有機物濃度は、発電効率を高くするために100〜10000mg/L程度の高濃度であることが好ましい。   As the negative electrode solution L, a solution that holds microorganisms or cells and has a composition necessary for power generation is used. For example, in the case of generating electricity in the respiratory system, the negative side solution includes energy required for respiratory system metabolism such as bouillon medium, M9 medium, L medium, Malt Extract, MY medium, and nitrifying bacteria selection medium. A medium having a composition such as a source and nutrients can be used. The negative electrode solution L contains an organic substance. The organic substance is not particularly limited as long as it can be decomposed by microorganisms. For example, water-soluble organic substances, organic fine particles dispersed in water, and the like are used. The negative electrode solution may be an organic waste liquid such as sewage or food factory effluent, or a dispersion of organic waste such as garbage. The organic substance concentration in the negative electrode solution L is preferably a high concentration of about 100 to 10000 mg / L in order to increase the power generation efficiency.

負極溶液L中には、微生物又は細胞からの電子の引き抜きをより容易とするために電子メディエーターを含有させてもよい。この電子メディエーターとしては、例えば、チオニン、ジメチルジスルホン化チオニン、ニューメチレンブルー、トルイジンブルー−O等のチオニン骨格を有する化合物、2−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン等の2−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン骨格を有する化合物、ブリリアントクレジルブルー、ガロシアニン、レソルフィン、アリザリンブリリアントブルー、フェノチアジノン、フェナジンエソスルフェート、サフラニン−O、ジクロロフェノールインドフェノール、フェロセン、ベンゾキノン、フタロシアニン、あるいはベンジルビオローゲン及びこれらの誘導体などを挙げることができる。   The negative electrode solution L may contain an electron mediator in order to make it easier to extract electrons from microorganisms or cells. Examples of the electron mediator include compounds having a thionin skeleton such as thionine, dimethyldisulfonated thionine, new methylene blue, toluidine blue-O, and 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone such as 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone. Examples include compounds having a skeleton, brilliant cresyl blue, galocyanine, resorufin, alizarin brilliant blue, phenothiazinone, phenazine esosulphate, safranin-O, dichlorophenolindophenol, ferrocene, benzoquinone, phthalocyanine, or benzyl viologen and their derivatives. be able to.

さらに、微生物の発電機能を増大させるような材料、例えばビタミンCのような抗酸化剤や、微生物中の特定の電子伝達系や物質伝達系のみを働かせる機能増大材料を溶解すると、さらに効率よく電力を得ることができるので好ましい。   Furthermore, if materials that increase the power generation function of microorganisms, such as antioxidants such as vitamin C, or materials that increase the function of only specific electron transfer systems or substance transfer systems in microorganisms, are dissolved, power can be more efficiently generated. Is preferable.

負極溶液Lは、必要に応じ、リン酸バッファを含有していてもよい。   The negative electrode solution L may contain a phosphate buffer as necessary.

負極溶液の温度は10〜70℃程度が好ましい。   The temperature of the negative electrode solution is preferably about 10 to 70 ° C.

正極溶液としては、マンガンイオンを含むものが用いられる。具体的には、硫酸マンガン、塩化マンガンなどの少なくとも1種よりなる可溶性マンガン塩が溶解しているものが好ましい。マンガンイオンは、MnOに換算して好ましくは100〜100,000mg/L、より好ましくは1,000〜50,000mg/L、さらに好ましくは10,000〜50,000mg/Lの濃度で存在させることが好ましい。マンガンイオンの存在量が少なすぎると、正極35とマンガンイオンとの間での電子受容反応および、還元されたマンガンイオンの酸化再生反応が遅くなる。 As the positive electrode solution, a solution containing manganese ions is used. Specifically, it is preferable to dissolve a soluble manganese salt composed of at least one of manganese sulfate, manganese chloride and the like. Manganese ions are preferably present at a concentration of 100 to 100,000 mg / L, more preferably 1,000 to 50,000 mg / L, and even more preferably 10,000 to 50,000 mg / L in terms of MnO 2 . It is preferable. If the amount of manganese ions present is too small, the electron accepting reaction between the positive electrode 35 and the manganese ions and the oxidation regeneration reaction of the reduced manganese ions are slowed.

正極室には、微生物発電装置の運転開始時にマンガンイオンを存在させるだけでなく、運転を開始した後にマンガン塩水溶液をさらに添加する等してマンガンイオンを追加的に供給してもよい。   Manganese ions may be added to the positive electrode chamber in addition to the presence of manganese ions at the start of the operation of the microbial power generation apparatus, and additional manganese salt aqueous solution may be added after the operation is started.

可溶性マンガン塩を溶解させる代りに、二酸化マンガンの粉末を用いる場合、溶解性マンガン塩を用いる場合より反応速度が遅い傾向がある。この理由は明確ではないが、粉末の二酸化マンガンは表面積が小さいことに起因すると推定される。本発明では、正極溶液中にマンガンイオンを存在させるので、曝気により供給される酸素とマンガンイオンとの反応が速やかに進行し、発電効率が向上する。   When manganese dioxide powder is used instead of dissolving soluble manganese salt, the reaction rate tends to be slower than when soluble manganese salt is used. The reason for this is not clear, but it is presumed that the powdered manganese dioxide has a small surface area. In the present invention, since manganese ions are present in the positive electrode solution, the reaction between oxygen supplied by aeration and manganese ions proceeds rapidly, and the power generation efficiency is improved.

前述の通り、正極溶液中の2価のマンガンイオンMn2+は、酸素含有ガスの曝気によって酸化されて4価となり、その後、正極上で還元されてMn2+に戻り、正極室2の全体では、酸素を利用したO+2HO+4e→4OHなる電子の消費反応及びOHの生成反応が進行する。このOHがアニオン交換膜を透過して負極に移動する。 As described above, the divalent manganese ion Mn 2+ in the positive electrode solution is oxidized to be tetravalent by aeration of the oxygen-containing gas, and then is reduced on the positive electrode to return to Mn 2+ . The reaction of consuming electrons and the production of OH proceed with O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH using oxygen. This OH permeates the anion exchange membrane and moves to the negative electrode.

2価のマンガンイオンを含む正極溶液を、アルカリ条件にして曝気することで、2価のマンガンを直接的に4価に酸化させることができる(酸素酸化)。この酸素酸化の場合、pHを高くする方が反応速度は速いため、反応速度の点では正極溶液のpHは高くする方が好ましく、例えばpHを10.5以上とりわけ11以上とすることが好ましい。しかし、pHが12を超えると、NaやK等のアルカリ金属が正極室から負極室に移動して発電効率の低下を招く恐れがある。また、正極溶液を高いpHに維持するために徒に多量のアルカリ剤が必要となる。そのため、正極溶液のpHを9〜12特に10.5〜12とりわけ11〜12にして曝気することが好ましい。   Divalent manganese can be directly oxidized to tetravalent (oxygen oxidation) by aeration of a positive electrode solution containing divalent manganese ions under alkaline conditions. In the case of this oxygen oxidation, since the reaction rate is higher when the pH is increased, it is preferable to increase the pH of the positive electrode solution from the viewpoint of the reaction rate. For example, the pH is preferably 10.5 or more, particularly 11 or more. However, if the pH exceeds 12, alkali metals such as Na and K may move from the positive electrode chamber to the negative electrode chamber, leading to a decrease in power generation efficiency. Also, a large amount of alkaline agent is required to maintain the positive electrode solution at a high pH. Therefore, it is preferable to perform aeration by setting the pH of the positive electrode solution to 9 to 12, particularly 10.5 to 12, particularly 11 to 12.

なお、このように高pH条件とすることにより、2価のマンガンの酸化反応速度が大きくなるため、正極室の容積を小さくしても十分な発電量を得ることができる。   In addition, since the oxidation reaction rate of divalent manganese is increased under such a high pH condition, a sufficient power generation amount can be obtained even if the volume of the positive electrode chamber is reduced.

正極溶液のpHが比較的9に近い場合(例えば8.5〜9.5程度の場合)、正極溶液中にはマンガン酸化細菌が生育しうるので、このようなpH域では、2価のマンガンイオンの少なくとも一部は、マンガン酸化細菌を利用した生物酸化で酸化されてもよい。生物酸化を行う場合、曝気を行う室にマンガン酸化細菌を添加する。マンガン酸化細菌は、下水を処理する生物処理槽等に保持される活性汚泥、最初沈殿池の流出水、および河川水等に常在している。よって、微生物発電装置の運転開始時に、曝気を行う正極室又は曝気室にこれらのマンガン酸化細菌源を少量、接種すればよい。マンガン酸化細菌でマンガンイオンの酸化を行う場合、正極溶液には微生物の必須栄養塩類である窒素成分(例えば塩化アンモニウム)およびリン成分(例えばリン酸塩)を含ませておくのが好ましい。曝気室の生物反応の方式は限定されず、固定床、浮遊法、流動床のいずれでもよい。曝気室内の微生物濃度は100〜1,000mg/L程度の範囲で高濃度であることが好ましく、固定床および流動床方式を採用すれば、単位容積あたりの微生物濃度を高くできるので、好ましい。   When the pH of the positive electrode solution is relatively close to 9 (for example, about 8.5 to 9.5), manganese-oxidizing bacteria can grow in the positive electrode solution. At least a part of the ions may be oxidized by biological oxidation using manganese oxidizing bacteria. When performing biooxidation, manganese-oxidizing bacteria are added to the aeration chamber. Manganese-oxidizing bacteria are always present in activated sludge retained in a biological treatment tank or the like for treating sewage, outflow water from the first sedimentation basin, river water, and the like. Therefore, a small amount of these manganese-oxidizing bacterial sources may be inoculated into the positive electrode chamber or the aeration chamber where aeration is performed at the start of operation of the microbial power generation apparatus. When manganese ions are oxidized by manganese-oxidizing bacteria, the positive electrode solution preferably contains a nitrogen component (for example, ammonium chloride) and a phosphorus component (for example, phosphate), which are essential nutrient salts of microorganisms. The method of biological reaction in the aeration chamber is not limited, and any of a fixed bed, a floating method, and a fluidized bed may be used. The microorganism concentration in the aeration chamber is preferably a high concentration in the range of about 100 to 1,000 mg / L, and adopting a fixed bed and fluidized bed system is preferable because the microorganism concentration per unit volume can be increased.

曝気量は、酸素酸化の場合、生物酸化の場合とも、正極溶液の溶存酸素(DO)濃度を測定した場合にDOが検出される程度(例えば0.5mg/L以下)であればよい。   In the case of oxygen oxidation and biological oxidation, the amount of aeration may be such that DO is detected (for example, 0.5 mg / L or less) when the dissolved oxygen (DO) concentration of the positive electrode solution is measured.

正極溶液を正極室とは別の曝気室で曝気する場合、曝気室の容積は正極室の容積と同等以下でよい。具体的には、酸素酸化を行う場合、曝気室容積は正極室容積と同等〜1/100程度でよい。生物酸化を行う場合、曝気室容積は酸素酸化を行う場合より大きいことが望まれ、具体的には正極室容積と同等〜1/20程度とすればよい。   When the positive electrode solution is aerated in an aeration chamber different from the positive electrode chamber, the volume of the aeration chamber may be equal to or less than the volume of the positive electrode chamber. Specifically, when oxygen oxidation is performed, the volume of the aeration chamber may be approximately the same as the positive electrode chamber volume to about 1/100. When performing biological oxidation, it is desirable that the volume of the aeration chamber be larger than that when performing oxygen oxidation. Specifically, the volume of the aeration chamber may be approximately the same as the positive electrode chamber volume to about 1/20.

正極溶液はキレート剤を含んでもよい。キレート剤を配合することにより、4価のマンガンが溶解状態で存在するため、反応速度が速くなるという効果が得られる。   The positive electrode solution may contain a chelating agent. By blending the chelating agent, tetravalent manganese is present in a dissolved state, so that an effect of increasing the reaction rate can be obtained.

キレート剤としては、マンガンイオンとキレート化合物を形成するものであれば制限なく使用できる。具体的には、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、1,2-ジヒドロキシアントラキノン-3-イル-メチルアミノ-N,N’-二酢酸、5,5’-ジブロモピロガロールスルホフタレイン、1-(1-ヒドロキシ-2-ナフチルアゾ)-6-ニトロ-2-ナフトール-4-スルホン酸ナトリウム塩、シクロ-トリス-[7-(1-アゾ-8-ヒドロキシナフタレン-3,6-ジスルホン酸)]6ナトリウム塩、4-メチルアンベリフェロン-8-メチレンイミノ二酢酸、3-スルホ-2,6-ジクロロ-3’,3’’-ジメチル-4’-フクソン-5’,5’’-ジカルボン酸3ナトリウム塩、3,3’-ビス[N,N-ジ(カルボキシメチル)アミノメチル]チモ-ルスルホンフタレイン,ナトリウム塩、7-(1-ナフチルアゾ)-8-ヒドロキシキノリン-5-スルホン酸ナトリウム塩、4-(2-ピリジルアゾ)レゾルシノール、ピロカテコールスルホンフタレイン、3,3’-ビス[N,N-ジ(カルボキシメチル)アミノメチル]-オルソ-クレゾールスルホンフタレイン,2ナトリウム塩などが挙げられる。なお、キレート剤は生物分解されにくい安定なものが望ましい。   Any chelating agent can be used without limitation as long as it forms a chelate compound with manganese ions. Specifically, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 1,2-dihydroxyanthraquinone-3-yl-methylamino-N, N′-diacetic acid, 5,5′-dibromopyrogallolsulfophthalein, 1- (1- Hydroxy-2-naphthylazo) -6-nitro-2-naphthol-4-sulfonic acid sodium salt, cyclo-tris- [7- (1-azo-8-hydroxynaphthalene-3,6-disulfonic acid)] 6 sodium salt 4-Methylumbelliferone-8-methyleneiminodiacetic acid, 3-sulfo-2,6-dichloro-3 ′, 3 ″ -dimethyl-4′-fuxone-5 ′, 5 ″ -dicarboxylic acid trisodium salt Salt, 3,3′-bis [N, N-di (carboxymethyl) aminomethyl] thymol sulfonephthalein, sodium salt, 7- (1-naphthylazo) -8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid sodium salt 4- (2-pi Jiruazo) resorcinol, pyrocatechol sulfone phthalein, 3,3'-bis [N, N-di (carboxymethyl) aminomethyl] - ortho - cresol sulfonic phthalein, etc. disodium salt. The chelating agent is preferably a stable one that is not easily biodegradable.

キレート剤の添加量は、特に限定されないが、正極溶液中に存在するマンガンイオンをすべてキレート化する量が存在するような添加量とすることが望ましい。添加するキレート剤にもよるが、添加量は100mg/Lから100,000mg/L程度がよい。生物酸化によりマンガンを酸化再生する場合、キレート剤の濃度が高すぎると生物反応を阻害するので50,000mg/L以下、特に10,000mg/L以下が望ましい。   The addition amount of the chelating agent is not particularly limited, but it is desirable that the addition amount is such that there is an amount for chelating all the manganese ions present in the positive electrode solution. Although depending on the chelating agent to be added, the addition amount is preferably about 100 mg / L to 100,000 mg / L. When manganese is oxidized and regenerated by biological oxidation, if the concentration of the chelating agent is too high, the biological reaction is inhibited. Therefore, it is preferably 50,000 mg / L or less, particularly preferably 10,000 mg / L or less.

正極溶液を曝気するための酸素含有ガスとしては、空気が好適である。正極室からの排ガスを、必要に応じ脱酸素処理した後、負極室に通気し、負極溶液Lからの溶存酸素のパージに用いてもよい。   Air is suitable as the oxygen-containing gas for aeration of the positive electrode solution. The exhaust gas from the positive electrode chamber may be deoxygenated as necessary, and then vented to the negative electrode chamber to be used for purging dissolved oxygen from the negative electrode solution L.

アニオン交換膜としては、丈夫で且つ厚さが30〜300μm特に30〜200μm程度の薄いものが好ましい。アニオン交換膜としては、アストム製アニオン交換膜やトクヤマ製アニオン型電解質膜などが好適であるが、これに限定されない。   The anion exchange membrane is preferably strong and thin with a thickness of 30 to 300 μm, particularly about 30 to 200 μm. As the anion exchange membrane, an anion exchange membrane made by Astom, an anion type electrolyte membrane made by Tokuyama, and the like are suitable, but not limited thereto.

前述の通り本発明では正極室と負極室とを隔てるイオン交換膜としてアニオン交換膜を用いることにより、カチオン交換膜を用いた場合に比べて負極室から正極室へのプロトンの移動速度が大きくなり、発電効率が向上する。   As described above, in the present invention, by using an anion exchange membrane as an ion exchange membrane that separates the positive electrode chamber and the negative electrode chamber, the transfer rate of protons from the negative electrode chamber to the positive electrode chamber is increased as compared with the case of using a cation exchange membrane. , Power generation efficiency is improved.

負極は、多くの微生物を保持できるよう、表面積が大きく空隙が多く形成され通水性を有する多孔体が好ましい。具体的には、少なくとも表面が粗とされた導電性物質のシートや導電性物質をフェルト状その他の多孔性シートにした多孔性導電体(例えばグラファイトフェルト、発泡チタン、発泡ステンレス等)が挙げられる。このような多孔質の負極をアニオン交換膜に密着させた場合、電子メディエータを用いることなく、微生物反応で生じた電子が負極に渡るようになり、電子メディエータを不要とすることができる。   The negative electrode is preferably a porous body having a large surface area and a large number of voids and water permeability so that a large number of microorganisms can be retained. Specific examples include a conductive material sheet having a roughened surface and a porous conductor (for example, graphite felt, expanded titanium, expanded stainless steel, etc.) in which the conductive material is made into a felt-like porous sheet. . When such a porous negative electrode is brought into close contact with the anion exchange membrane, electrons generated by the microbial reaction can be transferred to the negative electrode without using an electron mediator, and the electron mediator can be dispensed with.

負極は、フェルト等の繊維体よりなることが好ましい。かかる負極は、負極室厚みよりも大きい厚さを有する場合、それを押し縮めて負極室に挿入し、それ自身の復元弾性によってアニオン交換膜に密着するようになる。   The negative electrode is preferably made of a fibrous body such as felt. When the negative electrode has a thickness larger than the thickness of the negative electrode chamber, the negative electrode is compressed and inserted into the negative electrode chamber, and comes into close contact with the anion exchange membrane by its own restoring elasticity.

複数のシート状導電体を積層して負極としてもよい。この場合、同種の導電体シートを積層してもよく、異なる種類の導電体シート同士(例えばグラファイトフェルトと粗面を有するグラファイトシート)を積層してもよい。   A plurality of sheet-like conductors may be laminated to form a negative electrode. In this case, the same kind of conductor sheets may be laminated, or different kinds of conductor sheets (for example, a graphite sheet having a rough surface and a graphite felt) may be laminated.

負極は全体の厚さが3mm以上50mm以下、特に5〜40mm程度であることが好ましい。積層シートによって負極を構成した場合、シート同士の合わせ面(積層面)に沿って液が流れるように、積層面を液の流入口と流出口とを結ぶ方向に配向させるのが好ましい。   The negative electrode preferably has a total thickness of 3 mm to 50 mm, particularly about 5 to 40 mm. When a negative electrode is constituted by a laminated sheet, it is preferable to orient the laminated surface in a direction connecting the liquid inlet and outlet so that the liquid flows along a mating surface (laminated surface) between the sheets.

正極は、フェルト状又は多孔質状の導電性材料、例えばグラファイトフェルト、発泡ステンレス、発泡チタン等で構成される。多孔質材の場合、空隙の直径が0.01〜1mm程度であることが好ましい。正極としては、アニオン交換膜と密着させやすい形状(例えば板状)にこれら導電性材料を成形されたものを用いることが好ましい。正極の厚みは2〜50mmであることが好ましい。正極室内にマンガン酸化細菌を存在させて生物酸化を行う場合、正極は2〜50mm程度の厚みがある方が微生物保持量を大きくでき、好ましい。   The positive electrode is made of a felt-like or porous conductive material such as graphite felt, foamed stainless steel, or foamed titanium. In the case of a porous material, the void diameter is preferably about 0.01 to 1 mm. As the positive electrode, it is preferable to use a material obtained by molding these conductive materials into a shape (for example, a plate shape) that is easily adhered to the anion exchange membrane. The thickness of the positive electrode is preferably 2 to 50 mm. When biological oxidation is performed in the presence of manganese-oxidizing bacteria in the positive electrode chamber, it is preferable that the positive electrode has a thickness of about 2 to 50 mm because the amount of microorganisms retained can be increased.

本発明では、負極室を複数の分室に分割し、各分室を直列接続することで各分室でのpH低下を抑制した上で負極室内の液のpHを調整するようにしてもよい。負極室を分割すれば、各分室での有機物分解量が小さくなる結果、炭酸ガスの生成量も小さくなるため、各分室でのpH低下を少なくできる。負極室を流れる液には、前段側の分室から後段側の分室へ流れる際にアルカリを添加すればよい。このようにすれば、前段側の分室でpHが低下した液のpHを上げて後段側の分室へ流入させることができ、負極室内の液のpHを上記範囲に調整することが容易になる。   In the present invention, the negative electrode chamber may be divided into a plurality of compartments, and the pH of the liquid in the negative electrode compartment may be adjusted after suppressing the pH drop in each compartment by connecting the compartments in series. If the negative electrode chamber is divided, the amount of organic matter decomposition in each of the compartments is reduced, and as a result, the amount of carbon dioxide gas produced is also reduced, so that the pH drop in each compartment can be reduced. What is necessary is just to add an alkali to the liquid which flows through a negative electrode chamber, when flowing from the former compartment to the latter compartment. If it does in this way, the pH of the liquid in which the pH has decreased in the front compartment can be raised and flowed into the rear compartment, and the pH of the liquid in the negative compartment can be easily adjusted to the above range.

以下、実施例及び比較例について説明する。   Hereinafter, examples and comparative examples will be described.

[実施例1]
第2図に示す微生物発電装置を作成した。この発電装置の槽体30の全体の容積は700mL、負極室32の容積は350mL、各正極室33の容積は175mLである。各正極室33には上部に空気流出口を設け、下部に散気管51を設けた。
[Example 1]
A microbial power generation apparatus shown in FIG. 2 was prepared. The overall volume of the tank body 30 of this power generator is 700 mL, the volume of the negative electrode chamber 32 is 350 mL, and the volume of each positive electrode chamber 33 is 175 mL. Each positive electrode chamber 33 is provided with an air outlet at the top and an air diffuser 51 at the bottom.

アニオン交換膜31として株式会社アストム製のアニオン交換膜(厚さ220μm)を使用した。   As anion exchange membrane 31, an anion exchange membrane (thickness 220 μm) manufactured by Astom Co., Ltd. was used.

負極34としては、250mm×70mmで厚さ10mmのグラファイトフェルト(東洋カーボン株式会社製)2枚を導電性接着剤で張り合わせて構成した。接着剤は、グラファイトフェルトの面に部分的に(面全体の10%程度)に塗布し(いわゆる「ベタ塗り」を避け)、互いに向かい合うグラファイトフェルトの面の微小な凹凸が接着剤で埋められてしまわないようにした。各グラファイトフェルトの両表面は粗面である。なお、2枚のカーボンフェルトの積層体は負極室32の厚さと同じ厚さを有したものであり、負極室32内全体に充填され、アニオン交換膜31と接触する。   As the negative electrode 34, two graphite felts (manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) having a thickness of 250 mm × 70 mm and a thickness of 10 mm were bonded together with a conductive adhesive. The adhesive is applied partially (about 10% of the entire surface) to the surface of the graphite felt (avoids so-called “solid coating”), and the fine irregularities on the surfaces of the graphite felt facing each other are filled with the adhesive. I tried to avoid it. Both surfaces of each graphite felt are rough. The laminate of two carbon felts has the same thickness as the negative electrode chamber 32, fills the entire negative electrode chamber 32, and contacts the anion exchange membrane 31.

この微生物発電装置は、従って、負極室32に供給された液はすべて多孔性の負極34を透過するように構成されており、負極34内を通らずに負極室32を通過すること(ショートパス)が実質的にないよう構成されている。負極室32には種菌として下水処理場の生物処理槽から採取した活性汚泥を添加して培養し、負極を構成する各グラファイトフェルトの表面に微生物を付着させた。負極室32内の微生物濃度は約2200mg/Lであった。   Accordingly, the microbial power generation apparatus is configured such that all the liquid supplied to the negative electrode chamber 32 passes through the porous negative electrode 34 and passes through the negative electrode chamber 32 without passing through the negative electrode 34 (short path). ) Is substantially eliminated. In the negative electrode chamber 32, activated sludge collected from a biological treatment tank of a sewage treatment plant was added and cultured as an inoculum, and microorganisms were attached to the surface of each graphite felt constituting the negative electrode. The microorganism concentration in the negative electrode chamber 32 was about 2200 mg / L.

正極35は、それぞれ、厚さ5mmのグラファイトフェルト1枚で構成した。厚さ5mmのハニカムスペーサ36を配置し、正極35をアニオン交換膜31に接触させた。   Each of the positive electrodes 35 was composed of one piece of graphite felt having a thickness of 5 mm. A honeycomb spacer 36 having a thickness of 5 mm was disposed, and the positive electrode 35 was brought into contact with the anion exchange membrane 31.

正極室33内は、濃度50,000mg/Lの硫酸マンガンを添加し、NaOHでpHを11に調整した。   In the positive electrode chamber 33, manganese sulfate having a concentration of 50,000 mg / L was added, and the pH was adjusted to 11 with NaOH.

0.5L/minにて散気管51に空気を通気して正極溶液を曝気した。負極室32には、1,000mg/Lの濃度の酢酸と、50mMの濃度のリン酸バッファと、塩化アンモニウム300mg/Lとを含む負極溶液を70mL/minの流入量で供給し、同量の廃液を排出させた。   The positive electrode solution was aerated by aeration of air through the diffusing tube 51 at 0.5 L / min. A negative electrode solution containing acetic acid at a concentration of 1,000 mg / L, a phosphate buffer at a concentration of 50 mM, and 300 mg / L of ammonium chloride was supplied to the negative electrode chamber 32 at an inflow rate of 70 mL / min. The waste liquid was discharged.

循環配管42の循環流量は10mL/minとした。pH計47の検出pHが約8.2となるように1Nの水酸化ナトリウムを循環液に添加した。外部抵抗は5Ωとした。   The circulation flow rate of the circulation pipe 42 was 10 mL / min. 1N sodium hydroxide was added to the circulating liquid so that the pH detected by the pH meter 47 was about 8.2. The external resistance was 5Ω.

上記条件で、運転を開始したところ、380mVの電圧が得られた。このときの電流は76mA、負極の単位容積当りの発電電力は82.5W/mであった。同一条件で運転を継続した結果、1ヶ月間ほぼ同様の出力が安定して得られた。 When the operation was started under the above conditions, a voltage of 380 mV was obtained. The current at this time was 76 mA, and the generated power per unit volume of the negative electrode was 82.5 W / m 3 . As a result of continuing the operation under the same conditions, almost the same output was stably obtained for one month.

[比較例1]
実施例1において、アニオン交換膜の代わりにカチオン交換膜(株式会社アストム製。厚さ210μm)を用いたこと以外は実施例1と同じ条件にて微生物発電を行った。
[Comparative Example 1]
In Example 1, microbial power generation was performed under the same conditions as in Example 1 except that a cation exchange membrane (manufactured by Astom Co., Ltd., thickness 210 μm) was used instead of the anion exchange membrane.

発生した電圧は285mV、電流は57mAであった。このとき、回路の抵抗は、5Ωであった。したがって、負極の単位容積あたりの発電量は46.4W/mであった。 The generated voltage was 285 mV, and the current was 57 mA. At this time, the resistance of the circuit was 5Ω. Therefore, the amount of power generation per unit volume of the negative electrode was 46.4 W / m 3 .

以上の実施例及び比較例より、正極室と負極室とをアニオン交換膜によって隔てることにより、大きな電力が得られることが確認された。   From the above Examples and Comparative Examples, it was confirmed that large electric power can be obtained by separating the positive electrode chamber and the negative electrode chamber by an anion exchange membrane.

本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the microbial power generation device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the microbial power generation device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る微生物発電装置の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the microbial power generation device which concerns on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,30 槽体
2,31 アニオン交換膜
3,33 正極室
4,32 負極室
5,35 正極
6,34 負極
7,51,63a 散気管
63 曝気室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,30 Tank 2,31 Anion exchange membrane 3,33 Positive electrode chamber 4,32 Negative electrode chamber 5,35 Positive electrode 6,34 Negative electrode 7,51,63a Air diffuser 63 Aeration chamber

Claims (6)

負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、
該負極室に対しイオン交換膜を介して隔てられており、正極を有し、正極溶液を保持した正極室と
を備えた微生物発電装置の該正極溶液に酸素含有ガスを供給して発電を行う微生物発電方法において、
該イオン交換膜がアニオン交換膜であり、
該正極溶液中にマンガンイオンを存在させ、該正極溶液のpHを9以上とすることを特徴とする微生物発電方法。
A negative electrode chamber having a negative electrode and holding a liquid containing microorganisms and an electron donor;
Electric power is generated by supplying an oxygen-containing gas to the positive electrode solution of a microbial power generation device that is separated from the negative electrode chamber via an ion exchange membrane and has a positive electrode and a positive electrode chamber that holds the positive electrode solution. In the microbial power generation method,
The ion exchange membrane is an anion exchange membrane;
A microbial power generation method, wherein manganese ions are present in the cathode solution, and the pH of the cathode solution is 9 or more.
請求項1において、前記正極溶液のpHを11以上とすることを特徴とする微生物発電方法。   The microbial power generation method according to claim 1, wherein the pH of the positive electrode solution is 11 or more. 請求項1又は2において、前記正極溶液のマンガンイオン濃度がMnOに換算して1,000〜50,000mg/Lであることを特徴とする微生物発電方法。 According to claim 1 or 2, microbial power generation method characterized by manganese ion concentration of the cathode solution is 1,000~50,000mg / L in terms of MnO 2. 負極を有し、微生物および電子供与体を含む液を保持した負極室と、
該負極室に対しイオン交換膜を介して隔てられており、正極を有し、正極溶液を保持した正極室と、
該正極溶液に酸素を供給する酸素供給手段と、
を備えた微生物発電装置において、
該イオン交換膜がアニオン交換膜であり、
該正極溶液がマンガンイオンを含有すると共に、pH9以上であることを特徴とする微生物発電装置。
A negative electrode chamber having a negative electrode and holding a liquid containing microorganisms and an electron donor;
A positive electrode chamber separated from the negative electrode chamber via an ion exchange membrane, having a positive electrode and holding a positive electrode solution;
Oxygen supply means for supplying oxygen to the cathode solution;
In a microbial power generation apparatus comprising:
The ion exchange membrane is an anion exchange membrane;
A microbial power generation apparatus, wherein the positive electrode solution contains manganese ions and has a pH of 9 or more.
請求項4において、前記酸素供給手段として、前記正極室内を曝気するように散気管を設けたことを特徴とする微生物発電装置。   5. The microbial power generation apparatus according to claim 4, wherein a diffuser tube is provided as the oxygen supply means so as to aerate the positive electrode chamber. 請求項4において、前記酸素供給手段として、前記正極室内の正極溶液を受け入れて曝気し、曝気した正極溶液を前記正極室に戻す曝気室を設けたことを特徴とする微生物発電装置。   5. The microbial power generation apparatus according to claim 4, wherein an aeration chamber is provided as the oxygen supply means that receives and aerates the positive electrode solution in the positive electrode chamber and returns the aerated positive electrode solution to the positive electrode chamber.
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