JP2013145660A - Microbial fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microbial fuel cell which can be used continuously while enhancing generation efficiency.SOLUTION: Predetermined washing water W2 is supplied from a washing water supply pump 14 to the side face 18a of a cathode 18 exposed to the air. Hydroxide ions of a liquid membrane on the side face 18a of a cathode 18 are washed out and the hydrogen ion concentration in the liquid membrane is increased thus enhancing generation efficiency. Furthermore, a battery can be used continuously by suppressing precipitation of salt on the side face 18a of a cathode 18.

Description

本発明は、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池に関する。   The present invention relates to a microbial fuel cell that extracts electrical energy from wastewater containing organic pollutants.
近年、バイオマス資源の有効利用の観点から、水中の有機汚染物質から電気エネルギーを回収する方法として微生物燃料電池が注目を浴びている。微生物燃料電池では、一の電極としてのアノード上に嫌気性微生物膜を生成させ、嫌気性微生物が有機汚染物質を分解する過程で生じる電子をアノードで集めて外部回路に取り出す。この電子は、外部回路を経由し、他の電極としての対電極であるカソードに移動し、このカソードにおいて水素イオンと酸素分子と反応し、水を生成する。カソード側に有機物が存在するとアノード側と同様の生分解反応が起こって発電できなくなるため、アノードとカソードとは(陽)イオン交換膜に代表される隔膜により分離されており、嫌気性微生物の有機汚染物質分解過程で生成した水素イオンが隔膜を通ってカソードに移動することにより電気回路が完成する。   In recent years, microbial fuel cells have attracted attention as a method for recovering electrical energy from organic pollutants in water from the viewpoint of effective utilization of biomass resources. In a microbial fuel cell, an anaerobic microbial film is formed on an anode as one electrode, and electrons generated in the process of anaerobic microorganisms decomposing organic pollutants are collected at the anode and taken out to an external circuit. The electrons travel through an external circuit to a cathode that is a counter electrode as another electrode, and react with hydrogen ions and oxygen molecules at the cathode to generate water. If organic substances are present on the cathode side, the same biodegradation reaction as that on the anode side occurs and power generation cannot be performed.Therefore, the anode and the cathode are separated by a diaphragm typified by a (cation) ion exchange membrane. The electrical circuit is completed by the hydrogen ions generated in the process of pollutants moving through the diaphragm to the cathode.
微生物燃料電池には水中に没したカソードを有するいわゆる二室型と空気中に曝されたカソード(エアカソード)を有するいわゆる一室型とがある。二室型では酸素供給のために曝気が必要であり、また、酸素の水への溶解度が低く酸素供給が律速になりやすいことから、一般に一室型が実用上有利であると考えられている。   Microbial fuel cells include a so-called two-chamber type having a cathode immersed in water and a so-called one-chamber type having a cathode exposed to the air (air cathode). In the two-chamber type, aeration is necessary for supplying oxygen, and since the solubility of oxygen in water is low and the oxygen supply tends to be rate-determining, it is generally considered that the one-chamber type is practically advantageous. .
このような一室型の微生物燃料電池の発電効率に影響する因子は種々考えられるが、影響因子の一つにエアカソード表面に形成される液膜のpHが指摘されている(例えば、非特許文献1参照。)。すなわち、エアカソードで水の生成反応が進行した結果、水素イオンの消費によって液膜のpHが上昇することで、水素イオンの不足(水素イオン供給律速)により発電効率が低下する。   There are various factors that influence the power generation efficiency of such a single-chamber microbial fuel cell. One of the influential factors is the pH of the liquid film formed on the air cathode surface (for example, non-patent Reference 1). That is, as a result of the progress of water generation reaction at the air cathode, the pH of the liquid film increases due to the consumption of hydrogen ions, and the power generation efficiency decreases due to the lack of hydrogen ions (hydrogen ion supply rate limiting).
この課題に対し、カソード上に形成される液膜のpHを制御する方法が提案されている(例えば、非特許文献2及び特許文献1参照。)。   In response to this problem, a method for controlling the pH of a liquid film formed on the cathode has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2 and Patent Document 1).
非特許文献2に記載されている方法は、エアカソードに供給する酸素含有ガスに二酸化炭素を混合し、この二酸化炭素をカソード上に形成される液膜に溶け込ませることで、カソード液膜のpHを下げるものである。   In the method described in Non-Patent Document 2, carbon dioxide is mixed with an oxygen-containing gas supplied to the air cathode, and the carbon dioxide is dissolved in a liquid film formed on the cathode, whereby the pH of the cathode liquid film is increased. Is to lower.
また、特許文献1に記載されている方法は、炭素の布をエアカソードとし、炭素の布の一端を酸性にpH調整したカソード液に浸すことによって毛細管現象を利用してエアカソードにカソード液を供給し、エアカソードの液膜のpHを低下させるものである。   In addition, the method described in Patent Document 1 uses a carbon cloth as an air cathode and immerses one end of the carbon cloth in an acid-adjusted catholyte so as to apply the catholyte to the air cathode by utilizing capillary action. Supplying and lowering the pH of the liquid film of the air cathode.
上記非特許文献2及び特許文献1のいずれに記載されている方法もエアカソード上に形成される液膜のpHを下げることによって、発生電力密度もしくは発生電流を向上できることを示している。   The methods described in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 show that the generated power density or generated current can be improved by lowering the pH of the liquid film formed on the air cathode.
しかしながら、これらの方法には、エアカソード上に形成される液膜での塩の蓄積という共通した課題がある。すなわち、上記非特許文献2に記載されている方法の場合、二酸化炭素が溶け込むことにより生成する炭酸イオンが排出される経路がないため、最終的に炭酸塩が析出し、持続的な利用が容易でない。また、上記特許文献1に記載されている方法でも、カソード液は徐々に蒸発し、水分が失われていく一方で、このカソード液に含まれる陰イオンは排出される経路がなく、最終的に塩として析出し、持続的な利用が容易でない。   However, these methods have a common problem of salt accumulation in a liquid film formed on the air cathode. That is, in the case of the method described in Non-Patent Document 2, since there is no route through which carbonate ions generated by the dissolution of carbon dioxide are discharged, the carbonate is finally deposited and easy to use continuously. Not. Further, even in the method described in Patent Document 1, the catholyte gradually evaporates and moisture is lost. On the other hand, the anion contained in the catholyte has no discharge route, and finally, It precipitates as a salt and is not easy to use continuously.
特表2011−508938号公報(第10−12頁、図1)JP-T-2011-508938 (page 10-12, FIG. 1)
上述したように、発電効率を向上しつつ、持続的な利用を可能とした微生物燃料電池が望まれている。   As described above, there is a demand for a microbial fuel cell that can be used continuously while improving power generation efficiency.
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、発電効率を向上しつつ持続的に利用可能な微生物燃料電池を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a point, and it aims at providing the microbial fuel cell which can be utilized continuously, improving electric power generation efficiency.
請求項1記載の微生物燃料電池は、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、前記排水と接触する一主面側に前記排水の有機汚染物質を分解する嫌気性微生物膜を備えた一の電極と、一主面が空気中に曝され、他主面が前記排水と接触する他の電極と、これら一及び他の電極の間に介在され、前記一の電極側から前記他の電極側への陽イオンの移動を許容する隔膜と、前記他の電極の一主面に所定の洗浄水を供給して前記他の電極の一主面上に形成される液膜中の水素イオン濃度を高める洗浄水供給部とを具備したものである。   The microbial fuel cell according to claim 1 is a microbial fuel cell that extracts electrical energy from wastewater containing organic pollutants, and anaerobic that decomposes organic pollutants in the wastewater on one main surface side in contact with the wastewater. One electrode provided with a microbial membrane, one main surface exposed to the air, the other main surface is in contact with the waste water, and the one electrode is interposed between the one and the other electrode. A diaphragm that allows movement of cations from the side to the other electrode side, and a liquid that is formed on one main surface of the other electrode by supplying predetermined washing water to one main surface of the other electrode And a washing water supply unit for increasing the hydrogen ion concentration in the membrane.
請求項2記載の微生物燃料電池は、請求項1記載の微生物燃料電池において、洗浄水は、pH10以下の水溶液であるものである。   The microbial fuel cell according to claim 2 is the microbial fuel cell according to claim 1, wherein the washing water is an aqueous solution having a pH of 10 or less.
請求項3記載の微生物燃料電池は、請求項1または2記載の微生物燃料電池において、洗浄水供給部により他の電極の一主面に供給された後の洗浄水を前記他の電極の一主面に対して繰り返し再供給する再供給部を具備したものである。   The microbial fuel cell according to claim 3 is the microbial fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the cleaning water after being supplied to one main surface of the other electrode by the cleaning water supply unit is used as the main one of the other electrode. A re-feeding unit that repeatedly feeds back to the surface is provided.
請求項1記載の発明によれば、空気中に曝された他の電極の一主面に対して、洗浄水供給部によって所定の洗浄水を供給することにより、この一主面上に形成される液膜に蓄積された水酸化物イオンを洗い出してこの液膜中の水素イオン濃度を高め、発電効率を向上しつつ、他の電極の一主面への塩の析出を抑制して、持続的な利用が可能になる。   According to the first aspect of the present invention, a predetermined cleaning water is supplied to the one main surface of the other electrode exposed to the air by the cleaning water supply unit, thereby being formed on the one main surface. The hydroxide ions accumulated in the liquid film are washed out to increase the hydrogen ion concentration in the liquid film, improving the power generation efficiency and suppressing the precipitation of salt on one main surface of the other electrode. Use becomes possible.
請求項2記載の発明によれば、洗浄水をpH10以下の水溶液とすることにより、他の電極の一主面に対して、水素イオンの供給及び水酸化物イオンの洗い出しを、より効果的に行うことができる。   According to the second aspect of the present invention, the supply of hydrogen ions and the washing out of hydroxide ions are more effectively performed on one main surface of the other electrode by making the wash water an aqueous solution having a pH of 10 or less. It can be carried out.
請求項3記載の発明によれば、洗浄水供給部により他の電極の一主面に供給された後の洗浄水を、再供給部によって他の電極の一主面に対して繰り返し再供給することにより、洗浄水の使用量を抑制でき、より安価に実施できる。   According to the third aspect of the present invention, the cleaning water supplied to the one main surface of the other electrode by the cleaning water supply unit is repeatedly resupplied to the one main surface of the other electrode by the resupply unit. As a result, the amount of washing water used can be suppressed, and it can be carried out at a lower cost.
本発明の第1の実施の形態の微生物燃料電池を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the microbial fuel cell of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の微生物燃料電池を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the microbial fuel cell of the 2nd Embodiment of this invention. 同上微生物燃料電池の洗浄水の第1の測定実験の各実施例及び比較例のpHと発電効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between pH of each Example and comparative example of 1st measurement experiment of washing water of a microbial fuel cell same as the above, and power generation efficiency. 同上微生物燃料電池の各実施例の洗浄水をpH調整しなかった場合の洗浄水のpHの経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of pH of washing water at the time of not adjusting pH of washing water of each Example of a microbial fuel cell same as the above. 同上微生物燃料電池の洗浄水の第2の測定実験の各実施例及び比較例のpHと発電効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between pH of each Example and comparative example of the 2nd measurement experiment of washing water of a microbial fuel cell same as the above, and power generation efficiency.
以下、本発明の第1の実施の形態の構成を、図面を参照して説明する。   The configuration of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1において、11は微生物燃料電池(バイオ燃料電池)であり、この微生物燃料電池11は、燃料電池本体12と、この燃料電池本体12に有機汚染物質を含む排水W1を供給する排水供給部としての排水供給ポンプ13と、燃料電池本体12に洗浄水W2を供給する洗浄水供給部としての洗浄水供給ポンプ14とを備えた、カソード室を省略したいわゆる一室型(一槽型)のものである。そして、この微生物燃料電池11は、この微生物燃料電池11に対して電気的に接続された外部回路15へと電力を供給可能となっている。   In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a microbial fuel cell (biofuel cell). The microbial fuel cell 11 is a fuel cell body 12 and a drainage supply unit that supplies the fuel cell body 12 with wastewater W1 containing organic pollutants. A so-called one-chamber type (one-tank type) with a cathode chamber omitted, including a waste water supply pump 13 and a washing water supply pump 14 as a washing water supply unit for supplying washing water W2 to the fuel cell body 12 It is. The microbial fuel cell 11 can supply power to an external circuit 15 electrically connected to the microbial fuel cell 11.
燃料電池本体12は、排水W1が内部に供給される枠状の排水収容部16の両側に、一の電極としてのアノード17と他の電極としてのカソード18とがそれぞれ取り付けられ、これらアノード17とカソード18との間にてカソード18に接するように隔膜としての陽イオン交換膜19が配置された、フローセル構造となっている。そして、この燃料電池本体12は、少なくとも使用状態で、上下方向に沿うように、すなわち縦置き状態に配置される。   The fuel cell main body 12 has an anode 17 as one electrode and a cathode 18 as another electrode attached to both sides of a frame-shaped drainage accommodating portion 16 into which drainage W1 is supplied. It has a flow cell structure in which a cation exchange membrane 19 as a diaphragm is disposed so as to contact the cathode 18 with the cathode 18. The fuel cell main body 12 is arranged in the vertical direction, that is, in a vertically placed state, at least in a use state.
排水収容部16は、内部に反応セルを区画する部分であり、例えば発泡シリコンなどにより板状に形成されている。さらに、この排水収容部16には、排水供給ポンプ13と処理水W3を排出する処理水排出部である排水管21とがそれぞれ接続されている。そして、この排水収容部16内(反応セル)には、排水供給ポンプ13から排水W1が常時供給されている。   The drainage accommodating part 16 is a part that divides a reaction cell inside, and is formed in a plate shape by foamed silicon, for example. Furthermore, the drainage storage unit 16 is connected to a drainage supply pump 13 and a drainpipe 21 which is a treated water discharge unit for discharging the treated water W3. Then, waste water W1 is constantly supplied from the waste water supply pump 13 into the waste water storage section 16 (reaction cell).
また、アノード17は、導電部材、例えばカーボングラファイトなどにより板状に形成されている。また、アノード17の一主面である排水収容部16(反応セル)側の側面17aには、排水収容部16内の排水W1と接触する位置に嫌気性微生物膜22が形成されている。この嫌気性微生物膜22には、各種の嫌気性微生物が担持され、排水収容部16内の排水W1に含まれる有機性汚染物質を嫌気分解するように構成されている。   The anode 17 is formed in a plate shape from a conductive member such as carbon graphite. In addition, an anaerobic microbial film 22 is formed on a side surface 17a on the side of the drainage accommodating part 16 (reaction cell), which is one main surface of the anode 17, at a position in contact with the wastewater W1 in the drainage accommodating part 16. Various anaerobic microorganisms are supported on the anaerobic microorganism film 22 and are configured to anaerobically decompose organic pollutants contained in the wastewater W1 in the wastewater storage unit 16.
また、カソード18は、例えばメッシュ状に形成された薄膜状のカーボンクロスなどであり、導電部材、例えばカーボングラファイトなどにより枠状に形成された保持部材25によって外縁部が排水収容部16に保持されている。この保持部材25は、カソード18と電気的に接続されており、外部回路15に対して接続可能となっている。そして、このカソード18は、一主面である排水収容部16(反応セル)と反対側の側面18aが空気中(外気)に曝された、いわゆるエアカソードである。そして、このカソード18は、上下方向に沿って、すなわち略垂直状に配置されている。なお、このカソード18の側面18aには、陽イオン交換膜19を通った排水収容部16(反応セル)側の水分により薄膜状の液膜が形成される。   The cathode 18 is, for example, a thin film-like carbon cloth formed in a mesh shape, and the outer edge portion is held in the drainage accommodating portion 16 by a holding member 25 formed in a frame shape with a conductive member, for example, carbon graphite. ing. The holding member 25 is electrically connected to the cathode 18 and can be connected to the external circuit 15. The cathode 18 is a so-called air cathode in which a side surface 18a opposite to the drainage accommodating portion 16 (reaction cell) which is one main surface is exposed to the air (outside air). The cathode 18 is arranged along the vertical direction, that is, substantially vertically. A thin liquid film is formed on the side surface 18a of the cathode 18 by the water on the drainage storage section 16 (reaction cell) side that has passed through the cation exchange membrane 19.
また、陽イオン交換膜19は、アノード17側からカソード18側への陽イオンの移動を許容するもので、カソード18の他主面である排水収容部16(反応セル)側の側面18bに位置し、排水収容部16内の排水W1と接触している。   The cation exchange membrane 19 allows the movement of cations from the anode 17 side to the cathode 18 side, and is located on the side surface 18b on the drainage accommodating part 16 (reaction cell) side which is the other main surface of the cathode 18. However, it is in contact with the waste water W1 in the waste water storage section 16.
そして、洗浄水供給ポンプ14は、カソード18の側面18aに対して所定の洗浄水W2を供給してかけ流すものであり、図示しない洗浄水供給源と接続されている。そして、この洗浄水供給ポンプ14は、カソード18の側面18aの上側寄りに位置しており、この側面18aの全面に対して、上側から洗浄水W2を所定の流量(微小流量)かけ流すことが可能となっている。   The cleaning water supply pump 14 supplies predetermined cleaning water W2 to the side surface 18a of the cathode 18 and circulates it, and is connected to a cleaning water supply source (not shown). The cleaning water supply pump 14 is positioned near the upper side of the side surface 18a of the cathode 18, and the cleaning water W2 can be applied to the entire surface of the side surface 18a from above with a predetermined flow rate (micro flow rate). It is possible.
さらに、洗浄水W2は、本実施の形態では、pH10以下、好ましくは酸性の水溶液である。   Further, the washing water W2 is an aqueous solution having a pH of 10 or less, preferably an acidic solution in the present embodiment.
また、外部回路15としては、任意の回路を接続することができるが、例えば本実施の形態では微生物燃料電池11からの電流(電荷)量を計測するための回路であり、例えば電流計Aと所定の抵抗値のセメント抵抗などの抵抗Rとの直列回路であって、アノード17とカソード18との間に電気的に接続されている。   As the external circuit 15, an arbitrary circuit can be connected. For example, in the present embodiment, the external circuit 15 is a circuit for measuring the amount of current (charge) from the microbial fuel cell 11, and for example, an ammeter A and It is a series circuit with a resistance R such as a cement resistance having a predetermined resistance value, and is electrically connected between the anode 17 and the cathode 18.
次に、上記第1の実施の形態の動作を説明する。   Next, the operation of the first embodiment will be described.
微生物燃料電池11においては、排水供給ポンプ13によって有機性汚染物質を含有した排水W1が排水収容部16にてアノード17側に流入し、このアノード17の側面17aに形成された嫌気性微生物膜22により、有機性汚染物質が嫌気分解される。この嫌気分解によって発生した電子はアノード17で集電され、外部回路15を経由してカソード18へと移動する。そして、カソード18では、水素イオンと空気中の酸素とが電子を受け取り、水が生成する。アノード17での嫌気分解によって生成した水素イオンが陽イオン交換膜19を通ってカソード18へと移動することにより、電気回路が完成する。   In the microbial fuel cell 11, the waste water W1 containing organic pollutants flows into the anode 17 side in the waste water storage portion 16 by the waste water supply pump 13, and the anaerobic microbial film 22 formed on the side surface 17a of the anode 17 As a result, the organic pollutant is anaerobically decomposed. Electrons generated by this anaerobic decomposition are collected at the anode 17 and move to the cathode 18 via the external circuit 15. At the cathode 18, hydrogen ions and oxygen in the air receive electrons, and water is generated. The hydrogen ions generated by the anaerobic decomposition at the anode 17 move to the cathode 18 through the cation exchange membrane 19, whereby the electric circuit is completed.
ここで、アノード17及びカソード18では、以下のような反応が進行する。   Here, the following reaction proceeds at the anode 17 and the cathode 18.
(アノード反応) CH2O+H2O → CO2+4H++4e-
(カソード反応) O2+4H++4e- → 2H2
(総括反応) CH2O+H2O+O2 → CO2+2H2
(Anode reaction) CH 2 O + H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e
(Cathode reaction) O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
(Overall reaction) CH 2 O + H 2 O + O 2 → CO 2 + 2H 2 O
上記の総括反応から、原理上はカソード18の側面18aに形成される液膜中の水素イオン濃度は変化しないが、実際には陽イオン交換膜19を介した水素イオンの移動には濃度差が必要であるため、カソード18側の水素イオン濃度がアノード17側よりも低くなる。換言すれば、カソード18の側面18aの液膜中には、水酸化物イオンが蓄積するため、この液膜のpHが上昇する。   From the above overall reaction, in principle, the hydrogen ion concentration in the liquid film formed on the side surface 18a of the cathode 18 does not change, but actually there is a concentration difference in the movement of hydrogen ions through the cation exchange membrane 19. Since it is necessary, the hydrogen ion concentration on the cathode 18 side is lower than that on the anode 17 side. In other words, since hydroxide ions accumulate in the liquid film on the side surface 18a of the cathode 18, the pH of the liquid film rises.
そこで、本実施の形態では、洗浄水供給ポンプ14によって所定の洗浄水W2をカソード18の空気中に曝された側面18a側の液膜にかけ流し式で連続供給することにより、液膜中に蓄積された水酸化物イオンを洗い流す(洗い出す)ことで、カソード18の側面18aの液膜中の水素イオン濃度を上昇させ、pHを低下させる。その結果、上記のカソード反応(水生成反応)が促進され、微生物燃料電池11の発電効率が向上するとともに、カソード18の側面18aへの塩の析出を抑制して、持続的な利用が可能になる。   Thus, in the present embodiment, the predetermined cleaning water W2 is accumulated in the liquid film by continuously supplying the predetermined cleaning water W2 over the liquid film on the side surface 18a exposed to the air of the cathode 18 by the cleaning water supply pump 14. By washing away (washing out) the generated hydroxide ions, the hydrogen ion concentration in the liquid film on the side surface 18a of the cathode 18 is raised, and the pH is lowered. As a result, the cathode reaction (water generation reaction) described above is promoted, the power generation efficiency of the microbial fuel cell 11 is improved, and salt precipitation on the side surface 18a of the cathode 18 is suppressed, enabling sustainable use. Become.
特に、洗浄水W2としてpH10以下の水溶液を用いることにより、カソード18の側面18aに対して、水素イオンの供給及び水酸化物イオンの洗い出しを、より効果的に行うことができる。   In particular, by using an aqueous solution having a pH of 10 or less as the washing water W2, supply of hydrogen ions and washing out of hydroxide ions can be performed more effectively on the side surface 18a of the cathode 18.
次に、第2の実施の形態を、図2を参照して説明する。なお、上記第1の実施の形態と同様の構成及び作用については、同一符号を付してその説明を省略する。   Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In addition, about the structure and effect | action similar to the said 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
この第2の実施の形態は、洗浄水W2を循環させて繰り返し供給するための再供給部31を備えるものである。   The second embodiment includes a resupply unit 31 for circulating and repeatedly supplying the cleaning water W2.
この再供給部31は、洗浄水W2を回収して貯留する貯留部としての貯留タンク32と、この貯留タンク32に貯留された洗浄水W2をカソード18の側面18aに供給する洗浄水供給ポンプ14と、例えば硫酸などのpH調整材である酸性のpH調整液を貯留する調整材貯留部としての調整液貯留部33と、この調整液貯留部33と接続されこの調整液貯留部33に貯留されたpH調整液を貯留タンク32に貯留された洗浄水W2に対して供給する調整材供給部としての調整液ポンプ34と、貯留タンク32中の洗浄水W2のpHを検知するとともに、この検知したpHに対応して調整液ポンプ34の動作を制御する制御部としてのpH制御器35と、貯留タンク32内の洗浄水W2を攪拌する攪拌機36とを有している。   The resupply unit 31 includes a storage tank 32 as a storage unit that collects and stores the cleaning water W2, and a cleaning water supply pump 14 that supplies the cleaning water W2 stored in the storage tank 32 to the side surface 18a of the cathode 18. And, for example, an adjustment liquid storage section 33 as an adjustment material storage section that stores an acidic pH adjustment liquid that is a pH adjustment material such as sulfuric acid, and is connected to the adjustment liquid storage section 33 and stored in the adjustment liquid storage section 33. In addition to detecting the pH of the adjustment liquid pump 34 as an adjustment material supply unit that supplies the adjusted pH adjustment liquid to the cleaning water W2 stored in the storage tank 32, and the pH of the cleaning water W2 in the storage tank 32, A pH controller 35 as a control unit that controls the operation of the adjustment liquid pump 34 in accordance with pH, and a stirrer 36 that stirs the washing water W2 in the storage tank 32 are provided.
そして、洗浄水W2は、カソード18の側面18aの液膜に含まれる水酸化物イオンを洗い出すため、貯留タンク32に回収し、洗浄水供給ポンプ14によってカソード18の側面18aに対して所定の流量(微小流量)かけ流す、という作業を繰り返すことによって、徐々にアルカリ性に近づく。そして、洗浄水W2がアルカリ性に近づくと、カソード18への水素イオンの供給能率が低下し、カソード反応の促進が低下する。したがって、貯留タンク32に回収されて貯留されている洗浄水W2のpHをpH制御器35が検知し、この検知したpHに応じて調整液ポンプ34を適宜駆動させて調整液貯留部33内のpH調整液を貯留タンク32に供給し、攪拌機36によって攪拌することにより、洗浄水W2を例えばpH10以下に保つ。そして、このpH10以下に保たれた洗浄水W2を洗浄水供給ポンプ14によりカソード18の側面18aに対して繰り返しかけ流すことで、カソード反応を効果的に促進させ続けることができる。   Then, the washing water W2 is collected in the storage tank 32 in order to wash out hydroxide ions contained in the liquid film on the side surface 18a of the cathode 18, and is supplied to the side surface 18a of the cathode 18 by the washing water supply pump 14 at a predetermined flow rate. By repeating the process of pouring (micro flow rate), it gradually approaches alkalinity. When the cleaning water W2 approaches alkalinity, the supply efficiency of hydrogen ions to the cathode 18 decreases, and the promotion of the cathode reaction decreases. Therefore, the pH controller 35 detects the pH of the wash water W2 collected and stored in the storage tank 32, and the adjustment liquid pump 34 is appropriately driven according to the detected pH to adjust the inside of the adjustment liquid storage section 33. The pH adjustment liquid is supplied to the storage tank 32 and stirred by the stirrer 36, whereby the washing water W2 is maintained at a pH of 10 or less, for example. Then, the cleaning water W2 maintained at a pH of 10 or less is repeatedly sprinkled over the side surface 18a of the cathode 18 by the cleaning water supply pump 14, whereby the cathode reaction can be effectively promoted.
このように、洗浄水供給ポンプ14によりカソード18の側面18aに供給された後の洗浄水W2を、再供給部31によってカソード18の側面18aに対して繰り返し再供給することにより、順次新たな洗浄水を用いる場合と比較して洗浄水W2の使用量を抑制でき、より安価に実施できる。   In this way, the cleaning water W2 that has been supplied to the side surface 18a of the cathode 18 by the cleaning water supply pump 14 is repeatedly supplied again to the side surface 18a of the cathode 18 by the resupply unit 31, thereby sequentially performing new cleaning. Compared with the case where water is used, the amount of washing water W2 used can be reduced, and the operation can be carried out at a lower cost.
なお、上記第2の実施の形態において、貯留タンク32中の洗浄水W2のpHを調整する機構、すなわち調整液貯留部33、調整液ポンプ34、pH制御器35及び攪拌機36については、必須の構成ではない。つまり、例えば洗浄水W2として酸性溶液を用い、複数回循環利用した後、pHが中性付近まで上昇した段階で貯留タンク32中の洗浄水W2を入れ替えるという操作を行ってもよい。   In the second embodiment, the mechanism for adjusting the pH of the wash water W2 in the storage tank 32, that is, the adjustment liquid reservoir 33, the adjustment liquid pump 34, the pH controller 35, and the stirrer 36 are indispensable. It is not a configuration. That is, for example, an acidic solution may be used as the washing water W2, and after being recycled and used a plurality of times, an operation may be performed in which the washing water W2 in the storage tank 32 is replaced when the pH rises to near neutrality.
また、上記各実施の形態において、洗浄水W2は、例えば連続的にかけ流す以外でも、所定時間毎に(間欠的に)かけ流すようにしてもよい。   In each of the above embodiments, the washing water W2 may be poured every predetermined time (intermittently), for example, other than continuously flowing.
さらに、上記各実施の形態は、本発明を明確にするために例示したものであり、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではない。   Furthermore, each said embodiment is illustrated in order to clarify this invention, and this invention is not limited to each said embodiment.
次に、上記各実施の形態の微生物燃料電池11の発電効率の第1の測定実験について説明する。   Next, a first measurement experiment of the power generation efficiency of the microbial fuel cell 11 of each of the above embodiments will be described.
この第1の測定実験では、微生物燃料電池11は、排水W1として、スクロース、酢酸ナトリウム、プロピオン酸を主体とする有機汚染物質を含有する人工排水を処理するものとし、この処理の際の除去された二クロム酸カリウム法による化学的酸素要求量(CODCr)当たりに外部回路15に取り出された電流(電荷)を図3に示す。なお、外部回路15の抵抗Rとしては、43Ωのセメント抵抗を用いた。また、実施例としては、洗浄水W2として、硫酸(H2SO4)もしくは水酸化ナトリウム(NaOH)を用いてpH3.5(実施例1)に調整した純水、pH7(実施例2)に調整した純水、pH10(実施例3)に調整した純水、及び、水道水(実施例4)を用いたものを挙げる。さらに、比較例として、カソード18に対して洗浄水W2を供給しなかった場合(従来例に対応)を挙げる。なお、電子生産効率は以下の式により計算した。 In this first measurement experiment, the microbial fuel cell 11 treats artificial wastewater containing organic pollutants mainly composed of sucrose, sodium acetate, and propionic acid as wastewater W1, and is removed during this treatment. FIG. 3 shows the current (charge) extracted by the external circuit 15 per chemical oxygen demand (COD Cr ) by the potassium dichromate method. As the resistance R of the external circuit 15, a 43Ω cement resistance was used. Further, as an example, pure water adjusted to pH 3.5 (Example 1) using sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or sodium hydroxide (NaOH) as washing water W2, pH 7 (Example 2) Examples include those using adjusted pure water, pure water adjusted to pH 10 (Example 3), and tap water (Example 4). Furthermore, as a comparative example, a case where cleaning water W2 is not supplied to the cathode 18 (corresponding to the conventional example) will be given. The electronic production efficiency was calculated by the following formula.
η=I/(ΔCOD×Q)[mC/mg]
η:電子生産効率[mC/mg]
I:電流[mA]
ΔCOD:(流入COD)−(処理水COD)[mg/L]
Q:排水流量[L/s]
η = I / (ΔCOD × Q) [mC / mg]
η: Electronic production efficiency [mC / mg]
I: Current [mA]
ΔCOD: (inflow COD) − (treated water COD) [mg / L]
Q: Wastewater flow rate [L / s]
図3に示すように、カソード18に対して洗浄水W2を供給しなかった比較例では、電子生産効率(発電効率)が62mC/mg−CODであったのに対して、洗浄水W2を用いた各実施例では、電子生産効率(発電効率)が向上していることが分かる。   As shown in FIG. 3, in the comparative example in which the cleaning water W2 was not supplied to the cathode 18, the electron production efficiency (power generation efficiency) was 62 mC / mg-COD, whereas the cleaning water W2 was used. In each of the examples, it can be seen that the electronic production efficiency (power generation efficiency) is improved.
この電子生産効率(発電効率)の向上効果は、カソード18の側面18aの液膜に供給する洗浄水W2のpHが低いほど大きく、実施例3(pH10)の場合で129mC/mg−COD、実施例2(pH7)の場合で165mC/mg−CODと比較例の2倍以上となり、実施例1(pH3.5)の場合では、253mC/mg−CODと比較例の4倍以上となった。   The effect of improving the electron production efficiency (power generation efficiency) is larger as the pH of the washing water W2 supplied to the liquid film on the side surface 18a of the cathode 18 is lower. In the case of Example 3 (pH 10), the effect is 129 mC / mg-COD. In the case of Example 2 (pH 7), 165 mC / mg-COD was more than twice that of the comparative example, and in the case of Example 1 (pH 3.5), 253 mC / mg-COD was more than four times that of the comparative example.
さらに、実施例4(水道水)の場合でも、163mC/mg−CODとなり、実施例2と同等であった。すなわち、用いる洗浄水W2に含まれる陽イオン、陰イオンの種類によらず、pHが微生物燃料電池11の電子生産効率(発電効率)の改善に決定的な役割を果たしていることを示している。   Furthermore, in the case of Example 4 (tap water), it was 163 mC / mg-COD, which was equivalent to Example 2. That is, it shows that the pH plays a decisive role in improving the electron production efficiency (power generation efficiency) of the microbial fuel cell 11 regardless of the type of cation and anion contained in the washing water W2 to be used.
さらに、図4には、洗浄水W2として純水を循環供給したときの洗浄水W2のpH変化を示す。貯留タンク32の貯水量は2L、循環流量は5.5mL/分であり、調整液ポンプ34及びpH制御器35を用いた貯留タンク32中の洗浄水W2のpH調整は行っていない。   Further, FIG. 4 shows a change in pH of the cleaning water W2 when pure water is circulated and supplied as the cleaning water W2. The amount of water stored in the storage tank 32 is 2 L, the circulation flow rate is 5.5 mL / min, and pH adjustment of the wash water W2 in the storage tank 32 using the adjustment liquid pump 34 and the pH controller 35 is not performed.
この図4に示すように、洗浄水W2のpHは経過時間とともに徐々に上昇していった。これは、洗浄水W2を洗浄水供給ポンプ14によりカソード18に循環供給することにより、カソード18の側面18aに形成された液膜に蓄積された水酸化物イオンが洗い流されて洗浄水W2に蓄積されたことを示しており、上記各実施の形態が想定どおりに機能していることを示している。   As shown in FIG. 4, the pH of the washing water W2 gradually increased with the lapse of time. This is because the washing water W2 is circulated and supplied to the cathode 18 by the washing water supply pump 14, whereby hydroxide ions accumulated in the liquid film formed on the side surface 18a of the cathode 18 are washed away and accumulated in the washing water W2. This indicates that the above embodiments function as expected.
また、洗浄水W2のpHが上昇していることから、図3に示す各実施例の結果とあわせると、貯留タンク32中の洗浄水W2のpHを調整することで洗浄水W2を繰り返し利用できることが分かる。   Further, since the pH of the cleaning water W2 is increased, the cleaning water W2 can be repeatedly used by adjusting the pH of the cleaning water W2 in the storage tank 32 in combination with the results of the respective examples shown in FIG. I understand.
次に、上記各実施の形態の微生物燃料電池11の発電効率の第2の測定実験について説明する。   Next, a second measurement experiment of the power generation efficiency of the microbial fuel cell 11 of each of the above embodiments will be described.
この第2の測定実験では、微生物燃料電池11は、排水W1として、学校法人龍谷大学瀬田学舎生協食堂排水をガラス繊維ろ紙(GF/Dグレード、保持粒径2.7μm)にてろ過したろ液を用いた。ろ液のCODCrは432±47mg/Lであった。 In this second measurement experiment, the microbial fuel cell 11 was filtered with glass fiber filter paper (GF / D grade, retention particle size 2.7 μm) as wastewater W1, drained by the school corporation Ryukoku University Seta Gakusha Cooperative Shokudo. Was used. The COD Cr of the filtrate was 432 ± 47 mg / L.
カソード18のpH制御は、硫酸もしくは水酸化ナトリウムを用いてpH調整した水溶液(実施例5(pH3.5)、実施例6(pH7)、実施例7(pH10))をカソード18の側面18aに流量5.5mL/分で滴下することにより行った。   The pH of the cathode 18 is controlled by adjusting an aqueous solution (Example 5 (pH 3.5), Example 6 (pH 7), Example 7 (pH 10)) adjusted with sulfuric acid or sodium hydroxide on the side surface 18a of the cathode 18. It was performed by dropping at a flow rate of 5.5 mL / min.
そして、図5に示すように、電子生産効率(発電効率)は、実施例5(pH3.5)の場合では、221±20mC/mg−COD、実施例6(pH7)の場合では、158±14mC/mg−COD、実施例7(pH10)の場合では、98±7mC/mg−CODとなった。   As shown in FIG. 5, the electron production efficiency (power generation efficiency) is 221 ± 20 mC / mg-COD in the case of Example 5 (pH 3.5), and 158 ± in the case of Example 6 (pH 7). In the case of 14 mC / mg-COD and Example 7 (pH 10), it was 98 ± 7 mC / mg-COD.
なお、排水W1として実排水を用いた第2の測定実験の各実施例は、人工排水を用いた第1の測定実験の各実施例と比較して、電子生産効率(発電効率)が低下していた。これは、人工排水ではスクロースや酢酸、プロピオン酸といった生物利用性のよい基質を供給しているのに対し、実排水では、排水W1中の有機物を加水分解により糖類や有機酸に変化することが必要であり、その結果として、加水分解段階でのCODCrの損失が発生するためであると考えられる。しかしながら、カソード18のpH制御の効果については、実排水を排水W1として用いた場合でも人工排水を排水W1として用いた場合と同様に酸性側で電子生産効率(発電効率)の向上効果が大きくなることが認められ、上記各実施の形態が実排水処理においても有効であることが示された。 In addition, each Example of the second measurement experiment using actual wastewater as the wastewater W1 has a lower electronic production efficiency (power generation efficiency) than each Example of the first measurement experiment using artificial wastewater. It was. This is because artificial wastewater supplies substrates with good bioavailability such as sucrose, acetic acid, and propionic acid, whereas in actual wastewater, organic matter in wastewater W1 can be converted into sugars and organic acids by hydrolysis. This is necessary, and as a result, it is considered that COD Cr loss occurs in the hydrolysis stage. However, with regard to the pH control effect of the cathode 18, even when the actual waste water is used as the waste water W1, the effect of improving the electronic production efficiency (power generation efficiency) is increased on the acidic side as in the case where the artificial waste water is used as the waste water W1. It was recognized that the above embodiments were also effective in actual wastewater treatment.
11 微生物燃料電池
14 洗浄水供給部としての洗浄水供給ポンプ
17 一の電極としてのアノード
18 他の電極としてのカソード
19 隔膜としての陽イオン交換膜
22 嫌気性微生物膜
31 再供給部
W1 排水
W2 洗浄水
11 Microbial fuel cell
14 Cleaning water supply pump as cleaning water supply unit
17 Anode as one electrode
18 Cathode as other electrode
19 Cation exchange membrane as a diaphragm
22 Anaerobic microbial membrane
31 Resupply section
W1 drainage
W2 Wash water

Claims (3)

  1. 有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、
    前記排水と接触する一主面側に前記排水の有機汚染物質を分解する嫌気性微生物膜が位置する一の電極と、
    一主面が空気中に曝され、他主面が前記排水と接触する他の電極と、
    これら一及び他の電極の間に介在され、前記一の電極側から前記他の電極側への陽イオンの移動を許容する隔膜と、
    前記他の電極の一主面に所定の洗浄水を供給して前記他の電極の一主面上に形成される液膜中の水素イオン濃度を高める洗浄水供給部と
    を具備したことを特徴とする微生物燃料電池。
    A microbial fuel cell that extracts electrical energy from wastewater containing organic pollutants,
    One electrode in which an anaerobic microbial membrane for decomposing organic pollutants in the waste water is located on one main surface side in contact with the waste water;
    Another electrode in which one main surface is exposed to air and the other main surface is in contact with the waste water;
    A diaphragm interposed between these one and other electrodes and allowing movement of cations from the one electrode side to the other electrode side;
    A cleaning water supply unit for supplying a predetermined cleaning water to one main surface of the other electrode and increasing a hydrogen ion concentration in a liquid film formed on the one main surface of the other electrode. A microbial fuel cell.
  2. 洗浄水は、pH10以下の水溶液である
    ことを特徴とする請求項1記載の微生物燃料電池。
    The microbial fuel cell according to claim 1, wherein the washing water is an aqueous solution having a pH of 10 or less.
  3. 洗浄水供給部により他の電極の一主面に供給された後の洗浄水を前記他の電極の一主面に対して繰り返し再供給する再供給部を具備した
    ことを特徴とする請求項1または2記載の微生物燃料電池。
    2. A re-supplying unit that repeatedly supplies the cleaning water after being supplied to one main surface of the other electrode by the cleaning water supply unit to the one main surface of the other electrode is provided. Or the microbial fuel cell of 2.
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