JP2019160454A - Electrode for bioelectrochemical system, bioelectrochemical system, and method for manufacturing electrode for bioelectrochemical system - Google Patents

Electrode for bioelectrochemical system, bioelectrochemical system, and method for manufacturing electrode for bioelectrochemical system Download PDF

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Abstract

To provide a bioelectrochemical system excellent in processing speed of the entire device as compared with conventional bioelectrochemical systems, and an electrode used therein.SOLUTION: A bioelectrochemical system includes: a container; a liquid received in the container and containing an organic substance and an electron donating microorganism; an anode arranged to be in contact with the liquid; and a cathode arranged to be in contact with the liquid or to be adjacent to the liquid with a cation permeable diaphragm sandwiched therebetween. The anode includes an integrally molded conductive structure with a three-dimensional lattice shape, the conductive structure including lattices having a lattice spacing of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、生物電気化学システム用電極、生物電気化学システムおよび生物電気化学システム用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode for a bioelectrochemical system, a bioelectrochemical system, and a method for producing an electrode for a bioelectrochemical system.

畜産農家にとって、畜舎から出る廃水の処理は、多大なコストおよび労力を要するため、大きな負担となっている。また、環境への影響を防ぐために、畜産バイオマスの資源化や排水処理基準の厳格化などに対応した新しい廃水処理技術の開発が求められている。有機性廃水の適正な処理および有機性廃水からの資源の回収を実現できる新技術の開発は、畜産分野のみならず食品加工、醸造、都市部における下水処理などの幅広い分野においても必要とされている。   For livestock farmers, the treatment of wastewater from barns is a heavy burden because it requires a great deal of cost and labor. In addition, in order to prevent environmental impacts, the development of new wastewater treatment technology that responds to the recycling of livestock biomass and stricter wastewater treatment standards is required. The development of new technologies that enable the appropriate treatment of organic wastewater and the recovery of resources from organic wastewater is required not only in the field of livestock production but also in a wide range of fields such as food processing, brewing, and sewage treatment in urban areas. Yes.

近年、生物電気化学システム(Bioelectrochemical System:BES)と称される新しい技術が注目されている。生物電気化学システムは、電極上の反応を促進させる触媒として生物を利用する装置(バイオリアクター)の総称である。生物電気化学システムの例には、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell:MFC)や微生物電解セル(Microbial Electrolysis Cell:MEC)、微生物電気化学的または酵素電気化学的な物質の生産または分解を行う装置などが含まれる。微生物燃料電池および微生物電解セルでは、微生物が嫌気性条件下において有機物を酸化還元反応で分解するとともに、そのときに生じた電子をアノード(負極)に渡す役割を担っている。   In recent years, a new technology called a bioelectrochemical system (BES) has attracted attention. The bioelectrochemical system is a general term for an apparatus (bioreactor) that uses a living organism as a catalyst for promoting a reaction on an electrode. Examples of bioelectrochemical systems include Microbial Fuel Cell (MFC), Microbial Electrolysis Cell (MEC), and devices that produce or decompose microbial electrochemical or enzymatic electrochemical materials. Is included. In microbial fuel cells and microbial electrolysis cells, microorganisms have a role of decomposing organic substances by oxidation-reduction reaction under anaerobic conditions and passing electrons generated at that time to an anode (negative electrode).

微生物燃料電池は、嫌気性条件下において微生物が有機物を分解(酸化)することによって生じる余剰の還元力(電子)をアノード(負極)で回収することで発電(エネルギー回収)を行うバイオリアクターである。微生物燃料電池において、有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード(正極)側に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノードで回収されて、外部回路を経由してカソードに移動する。カソード表面では、アノード側から移動してきた水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。   A microbial fuel cell is a bioreactor that generates power (energy recovery) by collecting excess reducing power (electrons) generated by microorganisms decomposing (oxidizing) organic matter under anaerobic conditions at the anode (negative electrode). . In the microbial fuel cell, hydrogen ions generated by the decomposition of organic matter move to the cathode (positive electrode) side. On the other hand, the electrons generated by the decomposition of the organic matter are collected at the anode and move to the cathode via an external circuit. On the cathode surface, hydrogen ions and electrons that have moved from the anode side react with oxygen to generate water.

微生物電解セルは、嫌気性条件下において微生物が有機物を分解(酸化)することによって生じる余剰の還元力(電子)をカソード(正極)で水素として回収するバイオリアクターである。微生物電解セルにおいて、有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード(正極)側に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード(負極)とカソード(正極)との間への電圧の印加により、アノードで回収されて、外部回路を経由してカソードに移動する。カソード表面では、水素イオンと電子とが反応することで、水素ガスが生成される。この水素を回収することにより、エネルギーを回収することができる。水素として得られるエネルギーの量は、電圧印加として投入したエネルギーの量よりも大きいため、微生物電解セル全体としては、廃水からエネルギーを回収したことになる。このように、微生物電解セルは、アノードおよびカソードと接続された電圧印加部(電源やポテンショスタットなど)により、アノードとカソードとの間に電圧を印加することが必要である。   A microbial electrolysis cell is a bioreactor that recovers excess reducing power (electrons) generated by microorganisms decomposing (oxidizing) organic substances under anaerobic conditions as hydrogen at a cathode (positive electrode). In the microbial electrolysis cell, hydrogen ions generated by the decomposition of organic substances move to the cathode (positive electrode) side. On the other hand, the electrons generated by the decomposition of the organic matter are recovered at the anode by applying a voltage between the anode (negative electrode) and the cathode (positive electrode), and move to the cathode via an external circuit. On the cathode surface, hydrogen ions and electrons react to generate hydrogen gas. By recovering this hydrogen, energy can be recovered. Since the amount of energy obtained as hydrogen is larger than the amount of energy input as voltage application, the entire microbial electrolysis cell has recovered energy from waste water. Thus, the microbial electrolysis cell needs to apply a voltage between the anode and the cathode by a voltage application unit (power source, potentiostat, etc.) connected to the anode and the cathode.

微生物燃料電池や微生物電解セルなどの生物電気化学システムは、様々な種類の有機性廃水を処理することができる。この処理により廃水中の有機物が分解されるため、生物電気化学システムは、廃水を浄化(有機物を除去)する機能も併せ持っている。このように、生物電気化学システムは、廃水の浄化および廃水からのエネルギー回収を同時に行うことができるため、今後の新技術として期待されている。   Bioelectrochemical systems such as microbial fuel cells and microbial electrolysis cells can treat various types of organic wastewater. Since the organic matter in the wastewater is decomposed by this treatment, the bioelectrochemical system also has a function of purifying the wastewater (removing the organic matter). Thus, the bioelectrochemical system is expected as a new technology in the future because it can simultaneously purify wastewater and recover energy from wastewater.

生物電気化学システムでは、有機物の分解により生成された電子をアノードに渡す反応を高速化させることが非常に重要であり、この反応の速度が装置全体の処理速度に大きく影響を及ぼす。アノードとしては、通常、グラファイトやカーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンブラシなどの炭素電極が使用される(たとえば、非特許文献1および非特許文献2参照)。   In a bioelectrochemical system, it is very important to speed up the reaction of passing electrons generated by decomposition of organic substances to the anode, and the speed of this reaction greatly affects the processing speed of the entire apparatus. As the anode, a carbon electrode such as graphite, carbon cloth, carbon felt, or carbon brush is usually used (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

また、粉末床溶融結合法などの立体造形方法によって多孔質形状のアノードを製造する方法が検討されている(たとえば、非特許文献3〜非特許文献5参照)。   In addition, a method of manufacturing a porous anode by a three-dimensional modeling method such as a powder bed fusion bonding method has been studied (for example, see Non-Patent Documents 3 to 5).

K. P. Nevin, et al., "Power output and columbic efficiencies from biofilms of Geobacter sulfurreducens comparable to mixed community microbial fuel cells", Environmental Microbiology, Vol. 10, pp. 2505-2514.K. P. Nevin, et al., "Power output and columbic efficiencies from biofilms of Geobacter sulfurreducens comparable to mixed community microbial fuel cells", Environmental Microbiology, Vol. 10, pp. 2505-2514. Douglas Call, and Bruce E. Logan, "Hydrogen Production in a Single Chamber Microbial Electrolysis Cell Lacking a Membrane", Environ. Sci. Technol., Vol. 42, pp. 3401-3406.Douglas Call, and Bruce E. Logan, "Hydrogen Production in a Single Chamber Microbial Electrolysis Cell Lacking a Membrane", Environ. Sci. Technol., Vol. 42, pp. 3401-3406. Flaviana Calignano, et al., "Additive Manufacturing of a Microbial Fuel Cell - A detailed study", Sci. Rep., Vol. 5, 13737.Flaviana Calignano, et al., "Additive Manufacturing of a Microbial Fuel Cell-A detailed study", Sci. Rep., Vol. 5, 13737. Yu Zhou, et al., "A novel anode fabricated by three-dimensional printing for use in urine-powered microbial fuel cell", Biochemical Engineering Journal, Vol. 124 (2017), pp. 36-43.Yu Zhou, et al., "A novel anode fabricated by three-dimensional printing for use in urine-powered microbial fuel cell", Biochemical Engineering Journal, Vol. 124 (2017), pp. 36-43. Bin Bian, et al., "3D printed porous carbon anode for enhanced power generation in microbial fuel cell", Nano Energy, Vol. 44 (2018), pp. 174-180.Bin Bian, et al., "3D printed porous carbon anode for enhanced power generation in microbial fuel cell", Nano Energy, Vol. 44 (2018), pp. 174-180.

従来の生物電気化学システムには、電極上での反応速度が遅いという問題があり、実用化のためには電極上での反応速度の向上が必要である。一般的に、生物電気化学システムにおける装置全体の処理速度(微生物燃料電池および微生物電解セルでは出力に関係する)は、微生物からアノードへの電荷移動効率に依存する。前述のとおり、従来の微生物電気化学システムでは、炭素電極がアノードとして使用されていた。しかしながら、装置全体の処理速度を向上させる観点からは、アノードに更なる改善の余地がある。   The conventional bioelectrochemical system has a problem that the reaction rate on the electrode is slow. For practical use, it is necessary to improve the reaction rate on the electrode. In general, the overall processing rate of a device in a bioelectrochemical system (related to output in microbial fuel cells and microbial electrolysis cells) depends on the charge transfer efficiency from the microorganism to the anode. As described above, in the conventional microbial electrochemical system, the carbon electrode was used as the anode. However, there is room for further improvement in the anode from the viewpoint of improving the processing speed of the entire apparatus.

これに対し、非特許文献3〜非特許文献5などに記載のような粉末床溶融結合法などの立体造形方法によれば、任意の多孔質形状のアノードを製造することができる。これにより、燃料となる有機物および電子供与微生物を内部にまで導入させやすい形状のアノードを製造して使用すれば、電子供与微生物によるバイオフィルムをアノードの内部にまで十分に形成させて、生物電気化学システムの処理速度をより向上させることができると期待される。しかし、本発明者らの検討によれば、非特許文献3〜非特許文献5に記載されているようなアノードを用いても、電子供与微生物によるバイオフィルムをアノードの内部にまで十分に形成させることができていなかった。   On the other hand, according to a three-dimensional modeling method such as a powder bed fusion bonding method as described in Non-Patent Document 3 to Non-Patent Document 5, an anode having an arbitrary porous shape can be manufactured. As a result, if an anode having a shape that facilitates introduction of organic substances and electron-donating microorganisms as fuel into the interior is produced and used, a biofilm formed by electron-donating microorganisms can be sufficiently formed inside the anode, and bioelectrochemistry It is expected that the processing speed of the system can be further improved. However, according to the study by the present inventors, even when an anode as described in Non-Patent Document 3 to Non-Patent Document 5 is used, a biofilm by electron donating microorganisms is sufficiently formed to the inside of the anode. I couldn't do it.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、立体造形方法により製造される生物電気化学システムに用いられ得る電極であって、燃料となる有機物および電子供与微生物をアノードの内部にまで十分に導入させることにより、生物電気化学システムの処理速度をより向上させて、電流生産量をより高めることができる電極、当該電極を用いた生物電気化学システム、および当該電極の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and is an electrode that can be used in a bioelectrochemical system manufactured by a three-dimensional modeling method, and sufficiently fills an anode with organic matter and electron-donating microorganisms that serve as fuel. To provide an electrode capable of further improving the processing speed of the bioelectrochemical system and increasing the current production amount, a bioelectrochemical system using the electrode, and a method of manufacturing the electrode With the goal.

本発明者らは、立体格子状に造形された導電性造形物をアノードに使用することで上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。   The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by using a conductive shaped object shaped in a three-dimensional lattice shape for the anode, and have further studied and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の生物電気化学システム用電極、生物電気化学システムおよび生物電気化学システム用電極の製造方法に関する。
[1]生物電気化学システムにおいてアノードとして使用される電極であって、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含む、生物電気化学システム用電極。
[2]体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm/cm以上1542mm/cm以下である、[1]に記載の生物電気化学システム用電極。
[3]固体占有率が6.1%以上19.3%以下である、[1]または[2]に記載の生物電気化学システム用電極。
[4]前記格子は、格子を構成する枠の線径が0.5mm以下の格子である、[1]〜[3]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[5]前記導電性造形物は、前記格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の単一形状の格子が、最表面から内部にかけて連続して形成されてなる、[1]〜[4]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[6]前記導電性造形物は、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が連続的または非連続的に小さくなっていくように、格子間隔が異なる複数種の格子が組み合わされて形成されてなり、前記複数種の格子の少なくとも一部は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子である、[1]〜[4]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[7]前記導電性造形物は、最表面から内部にかけて、培地導入器具を挿入できる挿入孔を有する、[1]〜[6]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[8]前記導電性造形物は、前記導電性造形物を回転させる回転駆動部を有する、[1]〜[7]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[9]前記導電性造形物は、金属または金属酸化物を材料とする造形物である、[1]〜[8]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極。
[10]前記導電性造形物は、表面が酸化処理されている、[9]に記載の生物電気化学システム用電極。
[11]容器と、前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、前記液体に接触するように配置されたアノードと、前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と隣接するように配置されたカソードと、を有し、前記アノードは、[1]〜[10]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極である、生物電気化学システム。
[12]前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、[11]に記載の生物電気化学システム。
[13]前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、[11]に記載の生物電気化学システム。
[14]導電性物質の微粒子を含む粉末材料の供給および前記供給された粉末材料へのレーザーまたは電子ビームの照射を含む粉末溶融工程を複数回行って、前記立体格子状の導電性造形物を一体的に造形する工程を有する、[1]〜[10]のいずれかに記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
[15]導電性造形物を造形する工程の後に、空気中または酸素存在下において前記造形された導電性造形物を火に接触させること、または200℃以上で熱処理することで前記導電性造形物を加熱する工程を有する、[14]に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
That is, the present invention relates to the following electrodes for bioelectrochemical systems, bioelectrochemical systems, and methods for producing bioelectrochemical system electrodes.
[1] An electrode used as an anode in a bioelectrochemical system, including an integrally formed three-dimensional grid-shaped conductive molding including a grid having a grid interval of 2.5 mm to 3.5 mm Electrodes for bioelectrochemical systems.
[2] The specific surface area is the ratio of surface area to volume is not more than 469mm 2 / cm 3 or more 1542mm 2 / cm 3, bioelectrochemical systems electrode according to [1].
[3] The electrode for a bioelectrochemical system according to [1] or [2], wherein the solid occupancy is 6.1% or more and 19.3% or less.
[4] The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of [1] to [3], wherein the lattice is a lattice in which a wire diameter of a frame constituting the lattice is 0.5 mm or less.
[5] The conductive shaped article is formed by continuously forming a single-shaped lattice having a lattice interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less from the outermost surface to the inside. [1] to [4] An electrode for a bioelectrochemical system according to any one of the above.
[6] The conductive shaped article is formed by combining a plurality of types of lattices having different lattice intervals so that the lattice intervals become smaller continuously or discontinuously as moving from the outside to the inside. The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of [1] to [4], wherein at least a part of the plurality of types of lattices is a lattice having a lattice interval of 2.5 mm to 3.5 mm.
[7] The bioelectrochemical system electrode according to any one of [1] to [6], wherein the conductive shaped article has an insertion hole into which the medium introduction device can be inserted from the outermost surface to the inside.
[8] The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of [1] to [7], wherein the conductive shaped article has a rotation driving unit that rotates the conductive shaped article.
[9] The bioelectrochemical system electrode according to any one of [1] to [8], wherein the conductive shaped article is a shaped article made of a metal or a metal oxide.
[10] The electrode for a bioelectrochemical system according to [9], wherein a surface of the conductive shaped article is oxidized.
[11] A container, a liquid containing organic matter and electron-donating microorganisms contained in the container, an anode arranged to contact the liquid, and a liquid that is in contact with the liquid or cation-permeable. And a cathode disposed adjacent to the liquid with a diaphragm interposed therebetween, wherein the anode is the electrode for a bioelectrochemical system according to any one of [1] to [10] system.
[12] The bioelectrochemical system according to [11], wherein the bioelectrochemical system is a microbial fuel cell.
[13] The apparatus further includes a voltage applying unit that applies a voltage between the anode and the cathode so that electrons flow from the anode to the cathode, and the bioelectrochemical system is a microbial electrolysis cell. The bioelectrochemical system according to 11].
[14] Conducting a powder melting step including supplying a powder material containing fine particles of a conductive substance and irradiating the supplied powder material with a laser or an electron beam a plurality of times to obtain the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped article The manufacturing method of the electrode for bioelectrochemical systems in any one of [1]-[10] which has the process to shape | mold integrally.
[15] After the step of shaping the conductive shaped article, the conductive shaped article is brought into contact with fire in the air or in the presence of oxygen, or heat-treated at 200 ° C. or higher. The manufacturing method of the electrode for bioelectrochemical systems as described in [14] which has the process of heating.

本発明によれば、立体造形方法により製造される生物電気化学システムに用いられる電極であって、生物電気化学システムの処理速度をより向上させて、電流生産量をより高めることができる電極を提供することができる。これにより、本発明によれば、従来の生物電気化学システムよりも出力に優れる微生物燃料電池および微生物電解セルを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is an electrode used for the bioelectrochemical system manufactured by the three-dimensional modeling method, Comprising: The electrode which can improve the process speed of a bioelectrochemical system more and can raise an electric current production amount more is provided. can do. Thereby, according to this invention, the microbial fuel cell and microbial electrolysis cell which are excellent in an output compared with the conventional bioelectrochemical system can be provided.

図1は、実施の形態1に係る微生物電解セルの構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a microbial electrolysis cell according to Embodiment 1. FIG. 図2は、実施の形態1に係る微生物電解セルがアノードとして有する導電性造形物の構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a conductive shaped article that the microbial electrolysis cell according to Embodiment 1 has as an anode. 図3Aは、図2に示す導電性造形物の投影図であり、図3Bは、図3Aに点線で示す領域の拡大図であり、図3C、図3Dおよび図3Eは、図2に示す平面格子の形状を示す模式図である。3A is a projection view of the conductive shaped article shown in FIG. 2, FIG. 3B is an enlarged view of a region indicated by a dotted line in FIG. 3A, and FIGS. 3C, 3D, and 3E are planes shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the shape of a grating | lattice. 図4は、実施の形態2に係る微生物燃料電池の構成を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a microbial fuel cell according to Embodiment 2. 図5は、実施の形態2の変形例に係る微生物燃料電池の構成を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a microbial fuel cell according to a modification of the second embodiment. 図6は、実施例1で作製した八面体の格子形状を有する導電性造形物が有する格子の形状を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the shape of the lattice of the conductive shaped article having the octahedral lattice shape produced in Example 1. FIG. 図7Aおよび図7Bは、実施例における、アノードごとの電流生産量を示すグラフである。7A and 7B are graphs showing the current production amount for each anode in the example.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施の形態1]
実施の形態1では、本発明に係る生物電気化学システムの例として、微生物電解セルについて説明する。
[Embodiment 1]
In Embodiment 1, a microbial electrolysis cell will be described as an example of the bioelectrochemical system according to the present invention.

(微生物電解セルの構成)
図1は、実施の形態1に係る微生物電解セル100の構成を示す断面模式図である。図1に示されるように、微生物電解セル100は、容器110、液体120、アノード(負極、作用極)130、カソード(正極、対極)140、参照電極150、ポテンショスタット160、水素回収部170および水素貯蔵部180を有する。アノード130、カソード140および参照電極150は、ポテンショスタット160に電気的に接続されている。液体120は、有機物および電子供与微生物122を含む。
(Configuration of microbial electrolysis cell)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a microbial electrolysis cell 100 according to Embodiment 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 1, a microbial electrolysis cell 100 includes a container 110, a liquid 120, an anode (negative electrode, working electrode) 130, a cathode (positive electrode, counter electrode) 140, a reference electrode 150, a potentiostat 160, a hydrogen recovery unit 170, and A hydrogen storage unit 180 is included. The anode 130, the cathode 140, and the reference electrode 150 are electrically connected to the potentiostat 160. The liquid 120 includes an organic substance and an electron donating microorganism 122.

容器110は、微生物電解セル100の本体部を構成し、液体120を収容する。容器110の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。   The container 110 constitutes the main body of the microbial electrolysis cell 100 and accommodates the liquid 120. The material, shape, and size of the container 110 are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the application.

液体120は、容器110内に収容されており、燃料となる有機物および電子供与微生物122を含む。通常、液体120は、1種または2種以上の電解質を含有する水溶液である。電解質の種類は、水中で電離可能な物質であれば特に限定されない。電解質の例には、NaHPO/NaHPO、KHPO/KHPO、NaCO/NaHCO、NaCl、KCl、NHClなどが含まれる。また、液体120には、必要に応じて電子メディエータや導電性微粒子などの電子伝達性介在物質をさらに添加してもよい。 The liquid 120 is accommodated in the container 110 and contains an organic substance serving as a fuel and an electron donating microorganism 122. Usually, the liquid 120 is an aqueous solution containing one or more electrolytes. The type of electrolyte is not particularly limited as long as it is a substance that can be ionized in water. Examples of the electrolyte include NaH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 , KH 2 PO 4 / K 2 HPO 4 , NaCO 3 / NaHCO 3 , NaCl, KCl, NH 4 Cl and the like. Further, the liquid 120 may further contain an electron-transmitting intermediary material such as an electron mediator or conductive fine particles as necessary.

液体120中の電子供与微生物122のうち、少なくとも一部の電子供与微生物122は、アノード130に担持されている。すなわち、アノード130は、電子供与微生物122を高密度で保持する担体としても機能する。電子供与微生物122の種類は、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。有機廃水や汚泥などを燃料として使用する場合は、外部から電子供与微生物を加えなくとも、それらに生息する電子供与微生物をそのまま利用することができる。たとえば、シュードモナスやジオバクターなどは、土壌や淡水、海水などの自然環境の至るところに生息しているため、有機廃水や汚泥などを燃料とすれば、外部から添加することなく利用できる。   Among the electron donating microorganisms 122 in the liquid 120, at least some of the electron donating microorganisms 122 are supported on the anode 130. That is, the anode 130 also functions as a carrier that holds the electron-donating microorganism 122 at a high density. There may be one kind of electron-donating microorganism 122, or two or more kinds. When organic wastewater or sludge is used as fuel, electron-donating microorganisms that inhabit them can be used as they are without adding electron-donating microorganisms from the outside. For example, Pseudomonas, Geobacter, etc. inhabit every part of the natural environment such as soil, fresh water, seawater, etc., so if organic wastewater or sludge is used as fuel, they can be used without being added from the outside.

燃料となる有機物の種類は、電子供与微生物122が代謝可能であれば、特に限定されない。燃料となる有機物としては、アルコールや単糖類、多糖類、タンパク質などの有用資源だけでなく、農産業廃棄物や有機廃液、し尿、汚泥、食物残渣などの未利用資源(有機性廃棄物)も使用することができる。燃料となる有機物は、電子供与微生物122の維持および増殖のため、また微生物電解セル100を連続して稼働させるため、必要に応じて追加される。   The kind of the organic substance serving as the fuel is not particularly limited as long as the electron donating microorganism 122 can be metabolized. Organic materials used as fuel include not only useful resources such as alcohol, monosaccharides, polysaccharides, and proteins, but also unused resources (organic waste) such as agricultural and industrial waste, organic waste liquid, human waste, sludge, and food residues. Can be used. An organic substance serving as a fuel is added as necessary to maintain and propagate the electron-donating microorganism 122 and to continuously operate the microbial electrolysis cell 100.

アノード130は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、アノード130は、液体120中に浸漬されている。   The anode 130 is disposed so as to contact the liquid 120. In the present embodiment, the anode 130 is immersed in the liquid 120.

本実施の形態に係る微生物電解セル100は、アノード130(生物電気化学システム用電極)が、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含むことを一つの特徴とする。本発明者らは、上記特徴を有するアノード130において、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む導電性造形物を用いることで、微生物電解セルにおける電流生産量を顕著に向上させうることを見出した(実施例参照)。電流生産量が向上する原理は不明であるが、立体格子状の導電性造形物が十分な通水性および比表面積を有することが要因になっていると考えられる。   One feature of the microbial electrolysis cell 100 according to the present embodiment is that the anode 130 (electrode for a bioelectrochemical system) includes a three-dimensional grid-shaped conductive shaped article formed integrally. In the anode 130 having the above characteristics, the inventors of the present invention remarkably improve the current production amount in the microbial electrolysis cell by using a conductive shaped article including a lattice having a lattice interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less. (See Examples). The principle of improving the current production amount is unknown, but it is considered that the three-dimensional grid-shaped conductive shaped article has sufficient water permeability and specific surface area.

つまり、格子間隔が2.5mm以上である立体格子状の導電性造形物をアノード130とすることで、燃料となる有機物および電子供与微生物122が通水性を有するアノード130の内部に十分に流入して、アノード130の内部における導電性造形物の表面に電子供与微生物122が付着できてより効率的に電流生産できたことにより、電子供与微生物122からアノード130(導電性造形物)への電子伝達が容易になったと推察される。また、格子間隔が2.5mm以上である立体格子状の導電性造形物をアノード130とすることで、電流生産の副産物として生成する二酸化炭素およびプロトンなどの副産物がアノードの内部から洗い流され、副産物が蓄積することによって電流生産が低下する生成物阻害が抑制されためとも考えられる。   That is, by using a three-dimensional grid-shaped conductive shaped article having a lattice spacing of 2.5 mm or more as the anode 130, the organic matter serving as the fuel and the electron-donating microorganism 122 sufficiently flow into the anode 130 having water permeability. As a result, the electron donating microorganism 122 can adhere to the surface of the conductive shaped object inside the anode 130 and the current can be generated more efficiently, so that the electron transfer from the electron donating microorganism 122 to the anode 130 (conductive shaped object). Is assumed to be easier. In addition, by forming a three-dimensional grid-shaped conductive shaped object having a lattice spacing of 2.5 mm or more as the anode 130, by-products such as carbon dioxide and protons generated as by-products of current production are washed away from the inside of the anode. It is also considered that the product inhibition that current production decreases due to the accumulation of is suppressed.

特に、燃料となる有機物として糖類およびタンパク質などの複雑な構造を有する有機物を用いる場合、バイオフィルムの厚みは1mmから数mmになることがある。このような場合、アノードの格子間隔が小さいと、格子の隙間がすぐに塞がってしまい、通水性が低下して、アノード内部での電流生産は阻害されてしまう。これに対し、導電性造形物に含まれる格子の格子間隔が2.5mm以上であれば、上記複雑な構造を有する有機物を用いたときでもアノードの開口が塞がりにくく、アノード内部でも十分に電流生産が可能である。   In particular, when an organic substance having a complicated structure such as saccharides and proteins is used as the organic substance serving as a fuel, the thickness of the biofilm may be 1 mm to several mm. In such a case, if the lattice spacing of the anode is small, the lattice gap is immediately closed, the water permeability is lowered, and current production inside the anode is hindered. On the other hand, if the lattice spacing of the lattice contained in the conductive shaped object is 2.5 mm or more, the opening of the anode is difficult to close even when the organic material having the above complex structure is used, and sufficient current production is possible even inside the anode. Is possible.

カーボンフェルト、ステンレス鋼フェルトおよびステンレス鋼メッシュなどは、通常はこれよりも小さい格子間隔を有するため、アノードとしたときに、表面に形成されたバイオフィルムによって、燃料となる有機物および電子供与微生物122のアノード内部への入り込みが阻害されやすい。これに対し、上記格子間隔を有する導電性造形物は、十分な大きさの開口を有するため、アノードの表面に最初にバイオフィルムが形成された後も、燃料となる有機物および電子供与微生物122がアノード内部に入り込みやすく、アノード全体での電流生産性を高めることができる。   Since carbon felt, stainless steel felt, stainless steel mesh, and the like usually have a smaller lattice spacing, when used as an anode, the biofilm formed on the surface causes the organic matter serving as fuel and the electron-donating microorganism 122 to Intrusion into the anode tends to be hindered. On the other hand, since the conductive shaped article having the lattice spacing has a sufficiently large opening, the organic matter and the electron-donating microorganism 122 serving as the fuel remain after the biofilm is first formed on the surface of the anode. It is easy to enter the inside of the anode, and the current productivity in the whole anode can be improved.

一方では、格子間隔が3.5mm以下である立体格子状の導電性造形物をアノード130とすることで、アノード130の内部の比表面積が十分に大きくなった結果、アノード130の内部に導入された電子供与微生物122が十分な大きさのバイオフィルムを形成できたことにより、電子供与微生物122からアノード130(導電性造形物)への電子伝達量を多くすることができたと推察される(原理がこれに限定されるものではない)。   On the other hand, as a result of the specific surface area inside the anode 130 becoming sufficiently large by using the anode 130 as a three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object having a lattice spacing of 3.5 mm or less, the conductive material is introduced into the anode 130. It is inferred that the amount of electron transfer from the electron donating microorganism 122 to the anode 130 (conducting shaped object) could be increased by the fact that the electron donating microorganism 122 was able to form a sufficiently large biofilm (principle) Is not limited to this).

なお、通水性を有するとは、アノードに水を供給したときに、十分な速さで(たとえば数秒以内に)アノードの水が供給された側とは反対側から、供給された水の大部分(たとえば80%以上)が排出されることを意味する。   Note that having water permeability means that when water is supplied to the anode, most of the supplied water from the side opposite to the side where the water is supplied at a sufficient speed (for example, within a few seconds). (For example, 80% or more) is discharged.

また、格子間隔とは、隣接する格子の中心間の距離のうち、値が最小となる距離を意味する。   Further, the lattice spacing means a distance having a minimum value among the distances between the centers of adjacent lattices.

同時に電流生産量を高める観点からは、上記立体格子状の導電性造形物は、半径が0.6mm以上1.5mm以下の球を通過できるような幅の格子間隔を有することが好ましい。上記通過できる球の半径が大きいほど、より通水性を高めて、電流生産量を高めることができる。一方で、上記通過できる球の半径が大きすぎると、比表面積が低下して、付着させることができるバイオフィルムの量を多くしにくくなる。   At the same time, from the viewpoint of increasing the current production amount, it is preferable that the three-dimensional grid-shaped conductive shaped article has a grid interval with such a width that it can pass through a sphere having a radius of 0.6 mm to 1.5 mm. The larger the radius of the sphere that can be passed, the higher the water permeability and the current production. On the other hand, if the radius of the sphere that can pass is too large, the specific surface area decreases, and it becomes difficult to increase the amount of biofilm that can be attached.

同時に電流生産量を高める観点からは、上記立体格子状の導電性造形物は、体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm/cm以上1542mm/cm以下であることが好ましく、469mm/cm以上1200mm/cm以下であることがさらに好ましい。比表面積が大きいほど、より多量のバイオフィルムを付着させることができ、電流生産量を高めることができる。一方で、比表面積が大きすぎると、上記格子間隔を実現しにくくなる。 From the viewpoint of enhancing the current production at the same time, the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object preferably has a specific surface area is the ratio of surface area to volume is 469mm 2 / cm 3 or more 1542mm 2 / cm 3 or less, 469Mm More preferably, it is 2 / cm 3 or more and 1200 mm 2 / cm 3 or less. The larger the specific surface area, the more biofilm can be attached and the current production can be increased. On the other hand, when the specific surface area is too large, it becomes difficult to realize the lattice spacing.

同様に、同時に電流生産量を高める観点からは、上記立体格子状の導電性造形物は、体積に対する固体部分の体積である固体占有率が6.1%以上19.3%以下であることが好ましく、6.1%以上15.0%以下であることがさらに好ましい。固体占有率が大きいほど、より多量のバイオフィルムを付着させることができ、電流生産量を高めることができる。一方で、固体占有率が大きすぎると、上記格子間隔を実現しにくくなる。   Similarly, from the viewpoint of simultaneously increasing current production, the solid lattice-shaped conductive shaped article may have a solid occupancy that is the volume of the solid portion with respect to the volume of 6.1% or more and 19.3% or less. Preferably, it is 6.1% or more and 15.0% or less. The greater the solid occupancy, the more biofilm can be deposited and the current production can be increased. On the other hand, if the solid occupancy is too large, it becomes difficult to realize the lattice spacing.

格子間隔を2.5mm以上3.5mm以下としつつ、上記比表面積および固体占有率を高める観点からは、格子を構成する枠の線径(厚み)は、0.5mm以下であることが好ましく、0.3mm以下であることがより好ましい。上記線径の最小値は、導電性構造物をアノードとして用いたときの強度が十分である限りにおいて特に限定されないが、たとえば0.01mm以上とすることができる。   From the viewpoint of increasing the specific surface area and the solid occupancy rate while setting the lattice spacing to 2.5 mm or more and 3.5 mm or less, the wire diameter (thickness) of the frame constituting the lattice is preferably 0.5 mm or less, More preferably, it is 0.3 mm or less. Although the minimum value of the said wire diameter is not specifically limited as long as the intensity | strength when using an electroconductive structure as an anode is enough, For example, it can be 0.01 mm or more.

上記格子間隔、通過できる球の半径、比表面積および固体占有率は、導電性造形物の形状を実測および顕微鏡などによる観測結果から、公知の解析ソフトなどを用いて算出することができる。   The lattice spacing, the radius of the sphere that can pass through, the specific surface area, and the solid occupancy can be calculated from the shape of the conductive shaped object and the observation results using a microscope or the like using known analysis software.

なお、上記格子間隔とは、導電性構造物を構成するそれぞれの格子の形状を、厚みを有さない直線、および複数の上記直線が交わる交点のみからなる仮想的な立体形状であると仮定したときの、上記交点間の間隔を意味する。導電性構造物は、各格子を構成する枠の線径などによって、上記通過できる球の半径、比表面積および固体占有率を調整することも可能である。   Note that the lattice spacing is assumed to be a virtual three-dimensional shape composed of only a straight line having no thickness and an intersection where the plurality of straight lines intersect each other. Means the interval between the intersections. In the conductive structure, the radius, specific surface area, and solid occupancy of the sphere that can be passed can be adjusted by the wire diameter of the frame constituting each lattice.

上記立体格子状の導電性造形物は、同一形状の格子が周期的に連続して形成された形状であってもよいし、異なる形状の格子を組み合わせて形成された形状であってもよい。たとえば、上記立体格子状の導電性造形物は、上記格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の単一形状の格子が、最表面から内部にかけて連続して形成されてもよい。   The three-dimensional lattice-shaped conductive shaped article may have a shape in which lattices of the same shape are formed periodically and continuously, or may be a shape formed by combining lattices of different shapes. For example, in the three-dimensional grid-shaped conductive shaped article, a single-shaped grid having the grid interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less may be continuously formed from the outermost surface to the inside.

また、燃料となる有機物および電子供与微生物122のアノード内部への入り込みを確保しつつ、比表面積を高める観点から、立体格子状の導電性造形物は、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が連続的または非連続的に小さくなっていくように、格子間隔が異なる複数種の格子が組み合わされて形成されてもよい。上記立体格子状の導電性造形物は、上記異なる形状の格子を組み合わせた形状であるとき、上記異なる格子の少なくとも一種は格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む格子を有するように、一体的に成形されたものであると、表面近傍では内部への通水性を高めつつ、内部ではより多量のバイオフィルムを付着させて、電流生産量を高めることができる。このときも、立体格子状の導電性造形物は、体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm/cm以上1542mm/cm以下であることが好ましく、469mm/cm以上1200mm/cm以下であることがさらに好ましい。また、このときも、立体格子状の導電性造形物は、体積に対する固体部分の体積である固体占有率が6.1%以上19.3%以下であることが好ましく、6.1%以上15.0%以下であることがさらに好ましい。たとえば、最表面に配置された格子間隔が一番大きい格子の格子間隔を6.0mmとし、最も内側に配置された格子間隔が一番小さい格子の格子間隔を1.5mmとするように、格子間隔を非連続的に変化させると、比表面積を約1100mm/cmとし、固体占有率を約14%とすることができるため好ましい。 In addition, from the viewpoint of increasing the specific surface area while ensuring that the organic matter and the electron-donating microorganisms 122 as fuel enter the anode, the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped article has a continuous lattice interval as it moves from the outside to the inside. A plurality of types of lattices having different lattice intervals may be combined to be smaller or smaller continuously. When the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object has a shape obtained by combining the differently shaped lattices, at least one of the different lattices has a lattice including a lattice having a lattice interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less. In addition, if it is integrally molded, the amount of current produced can be increased by attaching a larger amount of biofilm to the inside while increasing the water permeability to the inside near the surface. In this case, the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object preferably has a specific surface area is the ratio of surface area to volume is not more than 469mm 2 / cm 3 or more 1542mm 2 / cm 3, 469mm 2 / cm 3 or more 1200 mm 2 More preferably, it is not more than / cm 3 . In this case, the solid lattice-shaped conductive shaped object preferably has a solid occupancy ratio that is the volume of the solid portion with respect to the volume of 6.1% or more and 19.3% or less, and is 6.1% or more and 15 or less. More preferably, it is 0.0% or less. For example, the lattice spacing of the lattice with the largest lattice spacing disposed on the outermost surface is 6.0 mm, and the lattice spacing of the lattice with the smallest lattice spacing disposed on the innermost side is 1.5 mm. It is preferable to discontinuously change the distance because the specific surface area can be about 1100 mm 2 / cm 3 and the solid occupancy can be about 14%.

電流生産量が向上する度合いの制御のしやすさ、および、造形の容易さ、を高める観点からは、導電性造形物は、上記同一形状の格子が周期的に連続して形成された形状を有するとき、導電性材料からなる複数の直線状の枠が組み合わさって形成される同一形状の空間が連続して配置された形状を有することが好ましい。たとえば、導電性造形物は、二等辺三角形および正三角形などを含む三角形、台形、平行四辺形、長方形および正方形などを含む四角形、ならびに正六角形などを含む六角形の格子状に形成された複数の平面格子が交わった形状とすることができる。これらのうち、(4×空隙面積/濡れ縁長さ)で求められる水力直径を大きくして、通水性をより高める観点からは、四角形および六角形が好ましく、六角形がより好ましい。平面格子が交わる角度は、一定でもよいし不定でもよく、平面格子が形成されている平面間がなす角度は、たとえば15°〜90°の範囲で任意に設定できる。   From the viewpoint of increasing the ease of control of the degree of improvement in current production and the ease of modeling, the conductive shaped object has a shape in which the lattices of the same shape are formed periodically and continuously. When it has, it is preferable to have the shape where the space of the same shape formed by combining the some linear frame which consists of an electroconductive material is arrange | positioned continuously. For example, the conductive shaped object includes a plurality of triangles including isosceles triangles and equilateral triangles, trapezoids, parallelograms, rectangles including rectangles and squares, and hexagonal lattices including regular hexagons. It can be made into the shape where a plane lattice crossed. Among these, from the viewpoint of increasing the hydraulic diameter required by (4 × void area / wetting edge length) to further increase water permeability, a quadrangle and a hexagon are preferable, and a hexagon is more preferable. The angle at which the planar lattices intersect may be constant or indefinite, and the angle formed by the planes on which the planar lattices are formed can be arbitrarily set within a range of 15 ° to 90 °, for example.

導電性物質の例には、金属および金属酸化物が含まれる。導電性物質は、電流生産量をより高める観点から、タングステン、酸化タングステン、銅、銀、白金、金、亜鉛、ニオブ、鉄、コバルト、チタン、モリブデン、酸化モリブデン、スズ、酸化スズ、ニッケルおよび酸化ニッケルならびにこれらを含む合金またはその酸化物とすることができる。鉄を含む合金の例には、ステンレス鋼、およびNiを35.0〜50.0質量%含み、かつFeを50.0〜65.0%含む合金が含まれる。なお、カーボンは、立体格子状に一体的に成形しても、導電性の造形物とはならない。   Examples of the conductive material include metals and metal oxides. Conductive materials include tungsten, tungsten oxide, copper, silver, platinum, gold, zinc, niobium, iron, cobalt, titanium, molybdenum, molybdenum oxide, tin, tin oxide, nickel, and oxide from the viewpoint of further increasing current production. Nickel and alloys containing these or oxides thereof can be used. Examples of alloys containing iron include stainless steel and alloys containing 35.0 to 50.0% by weight of Ni and 50.0 to 65.0% of Fe. In addition, even if carbon is integrally molded in a three-dimensional lattice shape, it does not become a conductive shaped article.

上述したような形状を有する多孔質形状の導電性造形物は、粉末床溶融結合法などの立体造形方法によって作製することができる。粉末床溶融結合法では、導電性物質の微粒子を含む粉末材料を均一な厚みでシート状に薄く配置し、配置された粉末材料の所定の領域にレーザーまたは電子ビームを照射して粉末材料に含まれる導電性物質を溶融させる。粉末材料の配置および導電性物質の溶融を高さ方向に複数回行うことで、上述したような各形状を有する多孔質形状の導電性造形物を造形することができる。   The porous shaped shaped object having the shape as described above can be produced by a three-dimensional shaping method such as a powder bed fusion bonding method. In the powder bed fusion bonding method, a powder material containing fine particles of a conductive substance is thinly arranged in a sheet shape with a uniform thickness, and a predetermined region of the arranged powder material is irradiated with a laser or an electron beam and included in the powder material. The conductive material to be melted. By conducting the arrangement of the powder material and the melting of the conductive substance a plurality of times in the height direction, it is possible to form a porous shaped conductive shaped article having each shape as described above.

このようにして作製された導電性造形物は、酸化処理されてもよい。酸化処理の方法は、特に限定されない。たとえば、空気中または酸素存在下において導電性造形物を火に接触させることにより加熱してもよいし、電気炉において導電性造形物を200℃以上、好ましくは500℃以上700℃以下で加熱してもよい。導電性造形物の加熱温度および加熱時間は、使用する導電性造形物の材料や形状、酸素の供給速度などに応じて適宜設定されうる。加熱による酸化処理時の最高加熱処理温度は、400〜3500℃程度であることが好ましく、550〜1600℃であることがより好ましい。また、導電性造形物が主として鉄を含む合金であるときは、最高加熱処理温度は、550℃以上650℃以下であることが好ましい。このとき、導電性造形物の最高到達温度および加熱処理温度は、導電性造形物が完全に溶融して変形しなければ導電性造形物の材料の融点を超える温度であってもよい。また、加熱時間は、使用する加熱機器にもよるが、たとえば、1秒〜30分である。具体的には、導電性造形物の表面が十分に変色して、導電性造形物表面の一部分または表面全体が斑状に電気抵抗が0.01Ω/cm〜数百Ω/cmまたはこれ以上に大きくなるまで加熱することが好ましい。なお、導電性造形物の材料の融点よりも高い燃焼温度を発生させるガスで加熱による酸化処理をする場合、導電性造形物が完全に溶融してしまうのを防ぐために、形状が変形する前に加熱を停止することが好ましい。   The conductive shaped article produced in this way may be oxidized. The method of oxidation treatment is not particularly limited. For example, the conductive shaped article may be heated by bringing it into contact with fire in the air or in the presence of oxygen, or the conductive shaped article is heated at 200 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower in an electric furnace. May be. The heating temperature and heating time of the conductive shaped article can be appropriately set according to the material and shape of the conductive shaped article to be used, the supply rate of oxygen, and the like. The maximum heat treatment temperature during the oxidation treatment by heating is preferably about 400 to 3500 ° C, and more preferably 550 to 1600 ° C. Further, when the conductive shaped article is an alloy mainly containing iron, the maximum heat treatment temperature is preferably 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. At this time, the highest ultimate temperature and heat treatment temperature of the conductive shaped article may be temperatures exceeding the melting point of the material of the conductive shaped article unless the conductive shaped article is completely melted and deformed. The heating time is, for example, 1 second to 30 minutes, although it depends on the heating equipment used. Specifically, the surface of the conductive shaped object is sufficiently discolored, and a part or the entire surface of the conductive shaped object is patchy, and the electric resistance is 0.01 Ω / cm to several hundreds Ω / cm or higher. It is preferable to heat until. In addition, when performing oxidation treatment by heating with a gas that generates a combustion temperature higher than the melting point of the material of the conductive shaped object, before the shape is deformed, in order to prevent the conductive shaped object from being completely melted It is preferable to stop the heating.

このように導電性造形物を酸化処理することで、表面近傍における組成が変化する。典型的には、エネルギー分散型X線分光法(EDS/EDX)により、酸化処理後の導電性造形物の表面における各元素の濃度と、酸化処理後の導電性造形物を切断することで露出させた断面において表面から5μm以上離れた部分(内部)における各元素の濃度とを比較することで、その導電性造形物が所定の酸化処理をなされたか否かを確認することができる。   Thus, the composition in the surface vicinity changes by oxidizing an electroconductive molded object. Typically, by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS / EDX), exposure is performed by cutting the concentration of each element on the surface of the conductive shaped article after the oxidation treatment and the conductive shaped article after the oxidation treatment. By comparing the concentration of each element in a portion (inside) that is 5 μm or more away from the surface in the cross section that has been made, it can be confirmed whether or not the conductive shaped article has been subjected to a predetermined oxidation treatment.

本実施の形態では、アノード130は、斜視図である図2に示されるように、ステンレス鋼から粉末床溶融結合法により一体的に成形された、正方形格子状に形成された複数の平面格子が、平面間がなす角度がいずれも60°となるように交わった形状の、八面体の格子形状を有する導電性造形物である。図3Aは、図2に示された導電性造形物の平面投影図であり、図3Bは、図3A中に点線で示された領域130aの拡大図である。図3Bに示されるように、本実施の形態に係る導電性造形物は、異なる角度で配置されたいずれも複数の平面格子132a、132bおよび132cが、平面間がなす角度がいずれも60°となるように交わった形状である。図3C、図3Dおよび図3Eに示されるように、平面格子132a、132bおよび132cは、いずれも、正方形が平面方向に連続して配置された形状である。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2 which is a perspective view, the anode 130 includes a plurality of planar lattices formed in a square lattice shape integrally formed from stainless steel by a powder bed fusion bonding method. The conductive shaped object has an octahedral lattice shape in which the angles formed by the planes intersect with each other to be 60 °. FIG. 3A is a plan view of the conductive shaped article shown in FIG. 2, and FIG. 3B is an enlarged view of a region 130a indicated by a dotted line in FIG. 3A. As shown in FIG. 3B, the conductive shaped object according to the present embodiment has a plurality of planar lattices 132a, 132b and 132c arranged at different angles, and the angle between the planes is 60 °. It is a shape that intersects. As shown in FIGS. 3C, 3D, and 3E, each of the planar lattices 132a, 132b, and 132c has a shape in which squares are continuously arranged in the planar direction.

カソード140は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、カソード140は、液体120中に浸漬されている。カソード140の素材は、導電性を有し、かつ化学的に安定であれば特に限定されない。また、カソード140の形状は、特に限定されず、水素ガスの回収の容易性などに応じて適宜選択されうる。カソード140の素材の例には、炭素や金属、金属酸化物などが含まれる。カソード140の例には、カーボンクロスやカーボンフェルト、ステンレス鋼メッシュ、ステンレスフェルト、プラチナメッシュなどが含まれる。また、これらの表面に、プラチナなどの水素イオン還元触媒を担持させてもよい。   The cathode 140 is disposed so as to contact the liquid 120. In the present embodiment, the cathode 140 is immersed in the liquid 120. The material of the cathode 140 is not particularly limited as long as it has conductivity and is chemically stable. Further, the shape of the cathode 140 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the ease of recovery of hydrogen gas. Examples of the material of the cathode 140 include carbon, metal, metal oxide, and the like. Examples of the cathode 140 include carbon cloth, carbon felt, stainless steel mesh, stainless felt, platinum mesh, and the like. Further, a hydrogen ion reduction catalyst such as platinum may be supported on these surfaces.

参照電極150は、液体120に接触するように配置される。本実施の形態では、参照電極150は、液体120中に浸漬されている。参照電極150の種類は、特に限定されず、適宜選択されうる。参照電極150の例には、銀−塩化銀電極や標準水素電極、カロメル電極などが含まれる。   The reference electrode 150 is disposed so as to contact the liquid 120. In the present embodiment, the reference electrode 150 is immersed in the liquid 120. The type of the reference electrode 150 is not particularly limited and can be appropriately selected. Examples of the reference electrode 150 include a silver-silver chloride electrode, a standard hydrogen electrode, a calomel electrode, and the like.

ポテンショスタット160は、アノード130、カソード140および参照電極150に電気的に接続されており、アノード(作用極)130の電極電位を−0.4V(vs.Ag/AgCl)(Ag/AgCl:銀−塩化銀電極)以上、好ましくは−0.2〜2.0V(vs.Ag/AgCl)になるように制御する。電極電位を制御する基準として参照電極150を用い、カソード(対極)140に電子を流すことでアノード(作用極)130の電極電位を一定に保つ。この結果、ポテンショスタット160は、アノード(作用極)130とカソード(対極)140との間に電圧を印加することとなり、有機物の分解で生じる電子は、アノード(作用極)130からポテンショスタット160を介して最終的にカソード140に流れ、カソード140の表面で水素ガス172が発生する。このように、アノード(作用極)130の電極電位は、カソード140の電極電位よりも常に所定の電位差で低い。   The potentiostat 160 is electrically connected to the anode 130, the cathode 140, and the reference electrode 150, and the electrode potential of the anode (working electrode) 130 is −0.4V (vs. Ag / AgCl) (Ag / AgCl: silver). -Silver chloride electrode) or more, preferably -0.2 to 2.0 V (vs. Ag / AgCl). The reference electrode 150 is used as a reference for controlling the electrode potential, and the electrode potential of the anode (working electrode) 130 is kept constant by passing electrons through the cathode (counter electrode) 140. As a result, the potentiostat 160 applies a voltage between the anode (working electrode) 130 and the cathode (counter electrode) 140, and electrons generated by the decomposition of the organic matter are transferred from the anode (working electrode) 130 to the potentiostat 160. And finally flows to the cathode 140, and hydrogen gas 172 is generated on the surface of the cathode 140. Thus, the electrode potential of the anode (working electrode) 130 is always lower than the electrode potential of the cathode 140 by a predetermined potential difference.

水素回収部170は、カソード140の表面で発生した水素ガス172を回収する。水素回収部170の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。本実施の形態では、水素回収部170は、液体120中においてカソード140の上部に配置された、漏斗形状の部材である。水素回収部170は、水素貯蔵部180に回収した水素ガスを送り込む。   The hydrogen recovery unit 170 recovers the hydrogen gas 172 generated on the surface of the cathode 140. The configuration of the hydrogen recovery unit 170 is not particularly limited as long as the above object can be achieved. In the present embodiment, the hydrogen recovery unit 170 is a funnel-shaped member disposed on the cathode 140 in the liquid 120. The hydrogen recovery unit 170 sends the recovered hydrogen gas to the hydrogen storage unit 180.

水素貯蔵部180は、水素回収部170が回収した水素ガスを貯蔵する。水素貯蔵部180の構成は、上記目的を達成することができれば特に限定されない。水素貯蔵部180の例には、ガスホルダーなどが含まれる。   The hydrogen storage unit 180 stores the hydrogen gas recovered by the hydrogen recovery unit 170. The configuration of the hydrogen storage unit 180 is not particularly limited as long as the above object can be achieved. Examples of the hydrogen storage unit 180 include a gas holder.

(微生物電解セルの動作)
次に、本実施の形態に係る微生物電解セル100の動作について説明する。
(Operation of microbial electrolysis cell)
Next, the operation of the microbial electrolysis cell 100 according to the present embodiment will be described.

ポテンショスタット160により、アノード(作用極)130の電極電位が常に所定の値(たとえば0.2V(vs.Ag/AgCl))となるように、参照電極150を基準として用いてアノード130とカソード140との間に電圧を印加して微生物電解セル100を稼働させると、容器110内において、電子供与微生物122により有機物(たとえば酢酸)が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、カソード140表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード130で回収されて、外部回路を経由してカソード140に移動する。このような状況において、カソード140表面では、水素イオンおよび電子が反応することで、水素ガス172が生成される。したがって、容器110内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、水素ガス172を連続して生成することができる。   The potentiostat 160 causes the anode 130 and the cathode 140 to use the reference electrode 150 as a reference so that the electrode potential of the anode (working electrode) 130 always becomes a predetermined value (for example, 0.2 V (vs. Ag / AgCl)). When the microorganism electrolysis cell 100 is operated by applying a voltage between the two, an organic substance (for example, acetic acid) is decomposed into carbon dioxide by the electron donating microorganism 122 in the container 110, and hydrogen ions and electrons are generated. The Hydrogen ions generated by the decomposition of the organic matter move to the surface of the cathode 140. On the other hand, the electrons generated by the decomposition of the organic matter are collected by the anode 130 and move to the cathode 140 via an external circuit. In such a situation, hydrogen gas 172 is generated on the surface of the cathode 140 by the reaction between hydrogen ions and electrons. Therefore, by supplying an organic substance into the container 110, the above cycle can be maintained and the hydrogen gas 172 can be continuously generated.

このとき、燃料となる有機物および電子供与微生物122のアノード130の内部への導入を促進するため、マグネチックスターラーなどで容器110内の液体120を撹拌してもよい。   At this time, the liquid 120 in the container 110 may be agitated with a magnetic stirrer or the like in order to promote the introduction of the organic substance serving as fuel and the electron donating microorganism 122 into the anode 130.

(効果)
以上のように、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含むアノード130を用いるため、従来の微生物電解セルよりも出力(電流の生産量)の点で優れている(実施例参照)。たとえば、燃料として有機廃液を使用した場合、本実施の形態に係る微生物電解セル100は、有機廃液から水素ガスを回収するだけでなく、有機廃液の浄化処理も行うことができる。
(effect)
As described above, the microbial electrolysis cell 100 according to the present embodiment includes an anode including an integrally formed three-dimensional grid-shaped conductive molding including a grid having a grid interval of 2.5 mm to 3.5 mm. Since 130 is used, it is superior to the conventional microbial electrolysis cell in terms of output (current production amount) (see Examples). For example, when an organic waste liquid is used as a fuel, the microbial electrolysis cell 100 according to the present embodiment can not only recover hydrogen gas from the organic waste liquid but also perform a purification process of the organic waste liquid.

なお、本実施の形態では、アノード130とカソード140との間に電圧を印加する電圧印加部としてポテンショスタット160を有する微生物電解セル100について説明したが、電圧印加部としてポテンショスタット160の代わりに電源を配置してもよい。この場合は、電源は、アノード130およびカソード140に電気的に接続され、アノード130からカソード140に電子が流れるように、アノード130とカソード140との間に電圧を印加する。参照電極150は、不要である。   In the present embodiment, the microbial electrolysis cell 100 having the potentiostat 160 as a voltage application unit for applying a voltage between the anode 130 and the cathode 140 has been described. However, instead of the potentiostat 160 as a voltage application unit, a power source is used. May be arranged. In this case, the power source is electrically connected to the anode 130 and the cathode 140, and applies a voltage between the anode 130 and the cathode 140 so that electrons flow from the anode 130 to the cathode 140. The reference electrode 150 is not necessary.

また、本実施の形態において、不図示の曝気装置により液体120に酸素を含む気体を送り込んでもよい。曝気は連続的に行ってもよいし、液体120において好気状態と嫌気状態とが繰り返すために断続的に行ってもよい。なお、連続的に曝気を行っても、アノード130の内部に電子供与微生物122などが付着して形成されるバイオフィルムの内部は嫌気状態となるため、微生物電解セル100による出力は可能である。   In the present embodiment, a gas containing oxygen may be sent into the liquid 120 by an aeration apparatus (not shown). Aeration may be performed continuously, or may be performed intermittently because the aerobic state and the anaerobic state are repeated in the liquid 120. Even if aeration is performed continuously, the biofilm formed by attaching electron-donating microorganisms 122 and the like to the inside of the anode 130 is in an anaerobic state, so that output from the microbial electrolysis cell 100 is possible.

(アノード130の変形例)
アノード130を構成する立体格子状の導電性造形物は、最表面から内部にかけて、チューブおよびピペットなどの培地導入器具を挿入できる挿入孔を有してもよい。上記挿入孔は、培地導入器具を挿入して燃料となる有機物および電子供与微生物122をアノード130の内部に導入させるために用いることができる。上記挿入孔の大きさは特に限定されないものの、直径5mm程度であればよい。
(Modification of anode 130)
The three-dimensional grid-shaped conductive shaped object constituting the anode 130 may have an insertion hole through which a medium introduction device such as a tube and a pipette can be inserted from the outermost surface to the inside. The insertion hole can be used to introduce an organic substance serving as a fuel and the electron donating microorganism 122 into the anode 130 by inserting a medium introduction device. The size of the insertion hole is not particularly limited, but may be about 5 mm in diameter.

あるいは、アノード130を構成する立体格子状の導電性造形物は、上記導電性造形物を回転させることによりアノード130を回転させる回転駆動部を有してもよい。アノード130を回転させることによって、燃料となる有機物および電子供与微生物122のアノード130の内部への導入を促進することができる。上記回転駆動部は、たとえば、上記導電性造形物の外延部から延出するように配置された棒状部材のうち、上記導電性造形物とは接しない位置に配置された、モーターなどの駆動部材などとすることができる。上記駆動部材は、前記棒状部材に対してアノード130の中心からずれた方向への推進力を上記導電性造形物に付与することで、アノード130を回転移動させることができる。このときのアノード130の回転速度は、たとえば6rpm以上60rpm以下とすることができる。   Alternatively, the three-dimensional grid-shaped conductive modeling object constituting the anode 130 may have a rotation drive unit that rotates the anode 130 by rotating the conductive modeling object. By rotating the anode 130, it is possible to promote the introduction of the organic matter serving as the fuel and the electron donating microorganism 122 into the anode 130. The rotation drive unit is, for example, a drive member such as a motor, which is disposed at a position not in contact with the conductive shaped object, among rod-shaped members disposed so as to extend from the outer extending part of the conductive shaped object. And so on. The drive member can rotate and move the anode 130 by applying a driving force to the rod-shaped member in a direction shifted from the center of the anode 130 to the conductive shaped article. The rotation speed of the anode 130 at this time can be set to, for example, 6 rpm or more and 60 rpm or less.

[実施の形態2]
実施の形態2では、本発明に係る生物電気化学システムの例として、微生物燃料電池について説明する。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a microbial fuel cell will be described as an example of the bioelectrochemical system according to the present invention.

(微生物燃料電池の構成)
図4は、実施の形態2に係る微生物燃料電池200の構成を示す模式図である。図4に示されるように、微生物燃料電池200は、容器210、液体220、アノード(負極)230、膜電極接合体240を有する。液体220は、有機物および電子供与微生物222を含む。膜電極接合体240は、隔膜242およびカソード(正極)244を含む。また、アノード230およびカソード244は、外部回路を構成する導線により電気的に接続されている。
(Configuration of microbial fuel cell)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the microbial fuel cell 200 according to Embodiment 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 4, the microbial fuel cell 200 includes a container 210, a liquid 220, an anode (negative electrode) 230, and a membrane electrode assembly 240. The liquid 220 includes organic matter and electron donating microorganisms 222. The membrane electrode assembly 240 includes a diaphragm 242 and a cathode (positive electrode) 244. In addition, the anode 230 and the cathode 244 are electrically connected by a conductive wire constituting an external circuit.

容器210は、微生物燃料電池200の本体部を構成し、液体220を収容する。容器210の素材、形状および大きさは、特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。本実施の形態に係る微生物燃料電池200では、隔膜242およびカソード244を含む膜電極接合体240が容器210の壁面の一部を構成している。   The container 210 constitutes the main body of the microbial fuel cell 200 and contains the liquid 220. The material, shape, and size of the container 210 are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the application. In the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment, the membrane electrode assembly 240 including the diaphragm 242 and the cathode 244 constitutes a part of the wall surface of the container 210.

液体220は、容器210内に収容されており、燃料となる有機物および電子供与微生物222を含む。液体220は、実施の形態1に係る微生物電解セル100の液体120と同様のものである。   The liquid 220 is contained in the container 210 and includes an organic substance serving as a fuel and an electron donating microorganism 222. The liquid 220 is the same as the liquid 120 of the microbial electrolysis cell 100 according to Embodiment 1.

アノード230は、少なくともその一部が液体220に接触するように配置される。アノード230は、実施の形態1に係る微生物電界セル100のアノード130と同様のものである。本実施の形態では、アノード230は、容器210内に浸漬されている。たとえば、アノード230は、液体220に固定されてもよいし、容器210の内壁の一部を構成するように配置されてもよい。   The anode 230 is arranged so that at least a part thereof is in contact with the liquid 220. The anode 230 is the same as the anode 130 of the microbial electric field cell 100 according to Embodiment 1. In the present embodiment, the anode 230 is immersed in the container 210. For example, the anode 230 may be fixed to the liquid 220 or may be arranged to constitute a part of the inner wall of the container 210.

膜電極接合体240は、カチオン透過性を有する隔膜242と、ガス透過性を有するカソード244とを含む。隔膜242およびカソード244は、一体化されて膜電極接合体240を構成している。膜電極接合体240は、隔膜242が液体220に接触し、カソード244が外気に接触するように配置される。本実施の形態では、膜電極接合体240は、容器210の内壁の一部を構成するように配置されている。   The membrane electrode assembly 240 includes a diaphragm 242 having cation permeability and a cathode 244 having gas permeability. The diaphragm 242 and the cathode 244 are integrated to form a membrane electrode assembly 240. The membrane electrode assembly 240 is disposed such that the diaphragm 242 contacts the liquid 220 and the cathode 244 contacts the outside air. In the present embodiment, membrane electrode assembly 240 is arranged to constitute a part of the inner wall of container 210.

隔膜242は、カチオンを選択的に透過させうる膜であり、液体220とカソード244との間に配置されている。隔膜242の種類は、カチオンを選択的に透過させることができれば、特に限定されない。隔膜242の例には、プロトン交換膜が含まれる。プロトン交換膜は、プロトン伝導性のイオン交換高分子電解質からなる膜である。プロトン交換膜の素材の例には、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、有機/無機複合化合物が含まれる。パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂は、たとえば、スルホ基および/またはカルボキシル基を有するパーフルオロビニルエーテルを基礎とする重合単位と、テトラフルオロエチレンを基礎とする重合単位とを含む共重合体を含む。そのようなフッ素イオン交換樹脂としては、ナフィオン(登録商標)が知られている。また、有機/無機複合化合物は、炭化水素系高分子(たとえばポリビニルアルコール)および無機化合物(たとえばタングステン酸)が複合化した化合物からなる物質である。これらの素材からなる膜は、市販されている。   The diaphragm 242 is a film that can selectively permeate cations, and is disposed between the liquid 220 and the cathode 244. The type of the diaphragm 242 is not particularly limited as long as it can selectively permeate cations. Examples of the diaphragm 242 include a proton exchange membrane. The proton exchange membrane is a membrane made of a proton conductive ion exchange polymer electrolyte. Examples of the material of the proton exchange membrane include perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins and organic / inorganic composite compounds. Perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins include, for example, a copolymer containing a polymer unit based on perfluorovinyl ether having a sulfo group and / or a carboxyl group and a polymer unit based on tetrafluoroethylene. Including. Nafion (registered trademark) is known as such a fluorine ion exchange resin. The organic / inorganic composite compound is a substance composed of a compound in which a hydrocarbon polymer (for example, polyvinyl alcohol) and an inorganic compound (for example, tungstic acid) are combined. Membranes made of these materials are commercially available.

カソード(エアカソード)244は、隔膜242を挟んで液体220と隣接するように配置されている。カソード244の素材および形状は、ガス透過性および導電性を両立できれば特に限定されない。カソード244の素材の例には、炭素や金属などが含まれる。カソード244の例には、カーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンメッシュ、グラファイト粒子、活性化グラファイト粒子、カーボンフェルト、網状ガラス化カーボン、ステンレス鋼メッシュなどが含まれる。また、これらの表面に、プラチナや活性炭などの酸素還元触媒を担持させてもよい。   The cathode (air cathode) 244 is disposed so as to be adjacent to the liquid 220 with the diaphragm 242 interposed therebetween. The material and shape of the cathode 244 are not particularly limited as long as both gas permeability and conductivity can be achieved. Examples of the material of the cathode 244 include carbon and metal. Examples of the cathode 244 include carbon paper, carbon cloth, carbon mesh, graphite particles, activated graphite particles, carbon felt, reticulated vitrified carbon, stainless steel mesh, and the like. Further, an oxygen reduction catalyst such as platinum or activated carbon may be supported on these surfaces.

(微生物燃料電池の動作)
次に、本実施の形態に係る微生物燃料電池200の動作について説明する。
(Operation of microbial fuel cell)
Next, the operation of the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment will be described.

図4に示されるように、本実施の形態に係る微生物燃料電池200を稼働させると、容器210内において、電子供与微生物222により有機物(たとえば酢酸)が二酸化炭素に分解される際に、水素イオンと電子が生成される。有機物の分解により生成された水素イオンは、隔膜242を透過してカソード244表面に移動する。一方、有機物の分解により生成された電子は、アノード230で回収されて、外部回路を経由してカソード244に移動する。また、カソード244は通気性を有するため、カソード244表面には酸素も存在する。このような状況において、カソード244表面では、水素イオンおよび電子が酸素と反応することで、水が生成される。したがって、容器210内に有機物を供給することで、上記サイクルを維持して、外部回路に電力を連続して供給することができる。   As shown in FIG. 4, when the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment is operated, hydrogen ions are generated when an organic substance (for example, acetic acid) is decomposed into carbon dioxide by the electron donating microorganism 222 in the container 210. And electrons are generated. Hydrogen ions generated by the decomposition of the organic matter pass through the diaphragm 242 and move to the surface of the cathode 244. On the other hand, the electrons generated by the decomposition of the organic matter are collected by the anode 230 and move to the cathode 244 via an external circuit. Further, since the cathode 244 has air permeability, oxygen is also present on the surface of the cathode 244. Under such circumstances, water is generated on the surface of the cathode 244 by the reaction of hydrogen ions and electrons with oxygen. Therefore, by supplying the organic substance into the container 210, the above cycle can be maintained and power can be continuously supplied to the external circuit.

本実施の形態においても、実施の形態1の変形例と同様に、燃料となる有機物および電子供与微生物222のアノード230の内部への導入を促進するため、マグネチックスターラーなどで容器210内の液体220を撹拌してもよい。   Also in the present embodiment, as in the modification of the first embodiment, in order to promote the introduction of the organic matter serving as the fuel and the electron donating microorganism 222 into the anode 230, the liquid in the container 210 may be replaced with a magnetic stirrer or the like. 220 may be stirred.

(効果)
以上のように、本実施の形態に係る微生物燃料電池200は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含むアノード230を用いるため、従来の微生物燃料電池よりも出力(アノードの単位面積当たりの電力密度)の点で優れている(実施例参照)。たとえば、燃料として有機廃液を使用した場合、本実施の形態に係る微生物燃料電池200は、有機廃液から電気エネルギーを回収するだけでなく、有機廃液の浄化処理も行うことができる。
(effect)
As described above, the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment includes an anode including an integrally formed three-dimensional grid-shaped conductive molding including a grid having a grid interval of 2.5 mm to 3.5 mm. Since 230 is used, it is superior to the conventional microbial fuel cell in terms of output (power density per unit area of the anode) (see Examples). For example, when an organic waste liquid is used as a fuel, the microbial fuel cell 200 according to the present embodiment can not only recover electrical energy from the organic waste liquid but also perform a purification process of the organic waste liquid.

なお、本実施の形態では、隔膜242を有する微生物燃料電池200について説明したが、隔膜242は必須の構成要件ではない。すなわち、図5に示すように、カソード244は、液体220に直接接触していてもよい。しかしながら、電池の長期持続性やエネルギーの回収効率などを考慮した場合は、隔膜242が存在することが好ましい。   In the present embodiment, the microbial fuel cell 200 having the diaphragm 242 has been described. However, the diaphragm 242 is not an essential component. That is, as shown in FIG. 5, the cathode 244 may be in direct contact with the liquid 220. However, considering the long-term sustainability of the battery and the energy recovery efficiency, it is preferable that the diaphragm 242 is present.

また、本実施の形態では、エアカソード方式(単槽方式)の微生物燃料電池について説明したが、本発明に係る生物電気化学システムは、二槽方式の微生物燃料電池であってもよい。この場合は、容器210は、隔膜242によりアノード槽とカソード槽とに分けられる。アノード230は、アノード槽内に収容された有機物および電子供与微生物222を含む液体中に浸漬され、カソード244は、カソード槽内に収容された液体中に浸漬される。   In the present embodiment, an air cathode type (single tank type) microbial fuel cell has been described. However, the bioelectrochemical system according to the present invention may be a two tank type microbial fuel cell. In this case, the container 210 is divided into an anode tank and a cathode tank by the diaphragm 242. The anode 230 is immersed in a liquid containing the organic matter and the electron donating microorganisms 222 housed in the anode tank, and the cathode 244 is immersed in the liquid housed in the cathode tank.

また、本実施の形態においても、不図示の曝気装置により液体220に酸素を含む気体を送り込んでもよい。曝気は連続的に行ってもよいし、液体220において好気状態と嫌気状態とが繰り返すために断続的に行ってもよい。なお、連続的に曝気を行っても、アノード230の内部に電子供与微生物222などが付着して形成されるバイオフィルムの内部は嫌気状態となるため、微生物燃料電池200による出力は可能である。   Also in the present embodiment, a gas containing oxygen may be fed into the liquid 220 by an aeration apparatus (not shown). Aeration may be performed continuously, or may be performed intermittently because the aerobic state and the anaerobic state are repeated in the liquid 220. Even if continuous aeration is performed, the inside of the biofilm formed by adhering the electron donating microorganisms 222 and the like to the inside of the anode 230 is in an anaerobic state, so that the output from the microbial fuel cell 200 is possible.

また、本実施の形態においても、実施の形態1の変形例と同様に、アノード230を構成する立体格子状の導電性造形物は、最表面から内部にかけて、チューブおよびピペットなどの培地導入器具を挿入できる挿入孔を有してもよい。上記挿入孔は、培地導入器具を挿入して燃料となる有機物および電子供与微生物222をアノード230の内部に導入させるために用いることができる。上記挿入孔の大きさは特に限定されないものの、直径5mm程度であればよい。   Also in the present embodiment, as in the modification of the first embodiment, the three-dimensional grid-shaped conductive shaped object constituting the anode 230 is provided with a medium introduction device such as a tube and a pipette from the outermost surface to the inside. You may have an insertion hole which can be inserted. The insertion hole can be used to insert a medium introduction device and introduce organic matter and electron donating microorganisms 222 as fuel into the anode 230. The size of the insertion hole is not particularly limited, but may be about 5 mm in diameter.

また、本実施の形態においても、実施の形態1の変形例と同様に、アノード230を構成する立体格子状の導電性造形物は、上記導電性造形物を回転させることによりアノード230を回転させる回転駆動部を有してもよい。アノード230を回転させることによって、燃料となる有機物および電子供与微生物222のアノード230の内部への導入を促進することができる。上記回転駆動部は、たとえば、上記導電性造形物の外延部から延出するように配置された棒状部材のうち、上記導電性造形物とは接しない位置に配置された、モーターなどの駆動部材などとすることができる。上記駆動部材は、前記棒状部材に対してアノード230の中心からずれた方向への推進力を上記導電性造形物に付与することで、アノード230を回転移動させることができる。このときのアノード230の回転速度は、たとえば6rpm以上60rpm以下とすることができる。   Also in the present embodiment, as in the modification of the first embodiment, the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object constituting the anode 230 rotates the anode 230 by rotating the conductive shaped object. You may have a rotation drive part. By rotating the anode 230, it is possible to promote the introduction of the organic matter serving as the fuel and the electron donating microorganism 222 into the anode 230. The rotation drive unit is, for example, a drive member such as a motor, which is disposed at a position not in contact with the conductive shaped object, among rod-shaped members disposed so as to extend from the outer extending part of the conductive shaped object. And so on. The driving member can rotate and move the anode 230 by applying a driving force to the rod-shaped member in a direction shifted from the center of the anode 230 to the conductive shaped object. At this time, the rotation speed of the anode 230 can be set to, for example, 6 rpm or more and 60 rpm or less.

以下、実施例を参照して本発明についてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail with reference to an Example, this invention is not limited by these Examples.

[実施例1]
1.アノードの作製
粉末床溶融結合法による造形装置を用い、4種類のアノードを作製した。これらのアノードは、線径が0.5mmの枠によって正方形格子状に形成された複数の平面格子が、平面間がなす角度がいずれも60°となるように交わった形状の、図2に示す八面体の格子形状を有する導電性造形物である。いずれもステンレス鋼の粉末を材料として使用し、粉末の供給および供給された粉末へのレーザーの照射によるステンレス鋼の焼結を繰り返して、ステンレス鋼を規則的形状に成形してなる立体格子状の導電性造形物を造形した。導電性造形物の大きさは、いずれも30mm×30mm×25mmである。平面格子を構成する格子点間の間隔(格子間隔)を1.5mm、3.0mm、4.5mmおよび6.0mmとして4種類の導電性造形物を造形した。
[Example 1]
1. Production of Anode Four types of anodes were produced using a modeling apparatus by a powder bed fusion bonding method. These anodes have a shape in which a plurality of planar lattices formed in a square lattice shape with a frame having a wire diameter of 0.5 mm intersect so that the angles between the planes are all 60 °. It is a conductive shaped article having an octahedral lattice shape. In each case, stainless steel powder is used as a material, and the supply of the powder and the sintering of the stainless steel by laser irradiation to the supplied powder are repeated to form a three-dimensional lattice shape formed by forming stainless steel into a regular shape. A conductive model was modeled. The sizes of the conductive shaped objects are all 30 mm × 30 mm × 25 mm. Four types of conductive shaped objects were modeled by setting the intervals between the lattice points constituting the planar lattice (lattice interval) to 1.5 mm, 3.0 mm, 4.5 mm, and 6.0 mm.

造形した4種類の導電性造形物を、加熱処理温度を600℃として熱処理して、酸化処理を行った。酸化処理後の導電性造形物は、いずれも、表面および内部が黒色化しており、酸化鉄が形成されたことが確認された。酸化処理後の、格子点間の間隔が1.5mm、3.0mm、4.5mmおよび6.0mmである導電性造形物を、それぞれアノード(O−1.5)、アノード(O−3.0)、アノード(O−4.5)およびアノード(O−6.0)とした。アノード(O−1.5)、アノード(O−3.0)、アノード(O−4.5)およびアノード(O−6.0)は、いずれも、互いに直交する2方向から供給された水が、いずれもアノードの内部を通って反対側に通過した。   The four types of modeled conductive shaped articles were heat-treated at a heat treatment temperature of 600 ° C. and subjected to an oxidation treatment. As for the electroconductive molded object after an oxidation process, the surface and the inside are all black and it was confirmed that the iron oxide was formed. After the oxidation treatment, conductive moldings having intervals between lattice points of 1.5 mm, 3.0 mm, 4.5 mm, and 6.0 mm were respectively converted into an anode (O-1.5) and an anode (O-3. 0), anode (O-4.5) and anode (O-6.0). The anode (O-1.5), the anode (O-3.0), the anode (O-4.5) and the anode (O-6.0) are all supplied from two directions orthogonal to each other. However, both passed through the anode to the opposite side.

上記各アノードは、図6Aに示す形状の格子が連続して形成されている。図6A中、「P」で示した長さが、格子間隔(たとえば、アノード(O−3.0)であれば3.0mm)である。図6Bは、図6Aに示す形状の格子を、図中Y方向に見たときの図である。この格子の内部は、格子の枠の線径をL(アノード(O−3.0)であれば0.5mm)としたとき、対角線Dの長さが(P−2×(L/√2))(アノード(O−3.0))であれば約2.3mm)である正方形となっている。そのため、この格子を通過できる球は、一辺が(D/√2)(アノード(O−3.0)であれば約1.6mm)の正方形の平面枠を通過できる球であり、その半径はアノード(O−3.0)であれば約0.8mmである。   Each of the anodes is formed with a continuous grid having the shape shown in FIG. 6A. In FIG. 6A, the length indicated by “P” is the lattice spacing (for example, 3.0 mm for the anode (O-3.0)). 6B is a diagram of the lattice having the shape shown in FIG. 6A when viewed in the Y direction in the drawing. The length of the diagonal D is (P-2 × (L / √2) when the diameter of the lattice frame is L (0.5 mm for the anode (O-3.0)). )) (Anode (O-3.0) is approximately 2.3 mm). Therefore, a sphere that can pass through this lattice is a sphere that can pass through a square plane frame with a side of (D / √2) (about 1.6 mm if anode (O-3.0)), and its radius is In the case of the anode (O-3.0), it is about 0.8 mm.

粉末床溶融結合法による造形装置を用い、さらに別の4種類のアノードを作製した。これらのアノードは、線径が0.5mmの枠によって正方形格子状に形成された複数の平面格子が、平面間がなす角度がいずれも90°となるように交わった形状の、正六面体の格子形状を有する導電性造形物である。いずれもステンレス鋼の粉末を材料として使用し、粉末の供給および供給された粉末へのレーザーの照射によるステンレス鋼の焼結を繰り返して、ステンレス鋼を規則的形状に成形してなる立体格子状の導電性造形物を造形した。導電性造形物の大きさは、いずれも30mm×30mm×25mmである。平面格子を構成する格子点間の間隔を1.5mm、3.0mm、4.5mmおよび6.0mmとして4種類の導電性造形物を造形した。   Four other types of anodes were prepared using a modeling apparatus using a powder bed fusion bonding method. These anodes are regular hexahedral lattices in which a plurality of planar lattices formed in a square lattice shape with a frame having a wire diameter of 0.5 mm intersect so that the angles between the planes are all 90 °. It is a conductive shaped article having a shape. In each case, stainless steel powder is used as a material, and the supply of the powder and the sintering of the stainless steel by laser irradiation to the supplied powder are repeated to form a three-dimensional lattice shape formed by forming stainless steel into a regular shape. A conductive model was modeled. The sizes of the conductive shaped objects are all 30 mm × 30 mm × 25 mm. Four types of conductive shaped objects were formed by setting intervals between lattice points constituting the planar lattice to 1.5 mm, 3.0 mm, 4.5 mm, and 6.0 mm.

造形した4種類の導電性造形物を、加熱処理温度を600℃として熱処理して、酸化処理を行った。酸化処理後の導電性造形物は、いずれも、表面および内部が黒色化しており、酸化鉄が形成されたことが確認された。酸化処理後の、格子点間の間隔(格子間隔)が1.5mm、3.0mm、4.5mmおよび6.0mmである導電性造形物を、それぞれアノード(H−1.5)、アノード(H−3.0)、アノード(H−4.5)およびアノード(H−6.0)とした。アノード(H−1.5)、アノード(H−3.0)、アノード(H−4.5)およびアノード(H−6.0)は、いずれも、互いに直交する2方向から供給された水が、いずれもアノードの内部を通って反対側に通過した。   The four types of modeled conductive shaped articles were heat-treated at a heat treatment temperature of 600 ° C. and subjected to an oxidation treatment. As for the electroconductive molded object after an oxidation process, the surface and the inside are all black and it was confirmed that the iron oxide was formed. After the oxidation treatment, conductive shaped objects having intervals between lattice points (lattice intervals) of 1.5 mm, 3.0 mm, 4.5 mm, and 6.0 mm were respectively converted into anode (H-1.5) and anode ( H-3.0), anode (H-4.5) and anode (H-6.0). The anode (H-1.5), the anode (H-3.0), the anode (H-4.5), and the anode (H-6.0) are all supplied from two directions orthogonal to each other. However, both passed through the anode to the opposite side.

上記各アノードは、立方体形状の格子が連続して形成されている。この格子の内部は、格子の枠の線径をL(アノード(H−3.0)であれば0.5mm)としたとき、一辺の長さが(P−2×(L/2)(アノード(O−3.0)であれば約2.5mm))である正方形となっている。そのため、この格子を通過できる球の半径はアノード(H−3.0)であれば約1.3mmである。   Each of the anodes has a cubic lattice formed continuously. The inside of this lattice has a length of one side of (P−2 × (L / 2) (L / 2) when the diameter of the lattice frame is L (0.5 mm for the anode (H-3.0)). It is a square which is an anode (about 2.5 mm for O-3.0). Therefore, the radius of the sphere that can pass through this lattice is about 1.3 mm for the anode (H-3.0).

厚みが5mmのカーボンフェルトを密着させて重ね合わせて、大きさが30mm×30mm×25mmであるアノードを作製した。このアノードを、アノード(CF)とした。   An anode having a size of 30 mm × 30 mm × 25 mm was produced by closely adhering and overlapping carbon felts having a thickness of 5 mm. This anode was designated as an anode (CF).

2.微生物電解セルの作製
容器として、容量125mLのアクリル樹脂製の立方体形状の容器(内寸5cm×5cm×5cm)を準備した。以下の表に示される組成の培地と、電子供与微生物の供給源としての活性汚泥とを5:1の割合で混合して、人工排水を調整した。得られた人工排水125mLを、容器に導入した。活性汚泥に含まれている細菌群を種菌として容器中の人工排水に接種した。
2. Production of Microbial Electrolysis Cell A cubic container made of acrylic resin having a capacity of 125 mL (inner dimensions: 5 cm × 5 cm × 5 cm) was prepared. Artificial drainage was prepared by mixing a medium having the composition shown in the following table and activated sludge as a source of electron-donating microorganisms at a ratio of 5: 1. 125 mL of the obtained artificial waste water was introduced into the container. The bacteria group contained in the activated sludge was inoculated into artificial wastewater in the container as an inoculum.

容器内の人工排水中に、上記作製したアノード(作用極、負極)のいずれか、カソード(対極、正極)としてのプラチナ電極、参照電極としての銀−塩化銀電極を浸漬させた。なお、これらの電極は、いずれもポテンショスタットに接続されている。   Any of the anodes (working electrode, negative electrode) produced above, a platinum electrode as a cathode (counter electrode, positive electrode), and a silver-silver chloride electrode as a reference electrode were immersed in the artificial waste water in the container. These electrodes are all connected to a potentiostat.

3.微生物電解セルの評価
人工排水を30℃で撹拌しながら、アノードの電極電位が銀−塩化銀電極(参照電極)の電位に対して−0.2Vとなるようにアノードおよびカソードに電圧を印加して、作製した微生物電解セルを稼働させた。3日または4日毎に培地を交換した。培地を最初に交換するときに、毎回、カソードおよび参照電極を洗浄した。また、培養開始から10日間程度で電流生産の値は安定した。培養開始から2週間後にアノードとカソードとの間に流れる電流を測定した。
3. Evaluation of Microbial Electrolysis Cell While stirring the artificial waste water at 30 ° C., voltage was applied to the anode and cathode so that the electrode potential of the anode was −0.2 V with respect to the potential of the silver-silver chloride electrode (reference electrode). The produced microbial electrolysis cell was operated. The medium was changed every 3 or 4 days. Each time the medium was changed for the first time, the cathode and reference electrode were washed. In addition, the value of current production stabilized in about 10 days from the start of culture. Two weeks after the start of the culture, the current flowing between the anode and the cathode was measured.

それぞれのアノードの、格子内部を通過できる球の最大の半径、比表面積(表面積/体積)、および固体占有率、ならびに電極1cmあたりの電流生産量を、表2に示す。 Table 2 shows the maximum sphere radius, specific surface area (surface area / volume), solid occupancy, and current production per cm 3 of electrode for each anode.

八面体の格子形状を有する導電性造形物であるアノード(O−1.5)、アノード(O−3.0)、アノード(O−4.5)およびアノード(O−6.0)を用いたときの、格子間隔と電流生産量との関係を、図7Aに示す。六面体の格子形状を有する導電性造形物であるアノード(H−1.5)、アノード(H−3.0)、アノード(H−4.5)およびアノード(H−6.0)を用いたときの、格子間隔と電流生産量との関係を、図7Bに示す。なお、図7Aおよび図7Bにおいて、アノード(CF)を用いたときの電流生産量(電極1cmあたり0.66mA)を実線で示す。図7Aおよび図7Bから明らかであるように、格子間隔が3.0mm近辺において電流生産量は顕著に増大しており、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下であるときに特に電流生産量が高くなることが示された。 Anode (O-1.5), anode (O-3.0), anode (O-4.5) and anode (O-6.0), which are conductive shaped objects having an octahedral lattice shape, are used. FIG. 7A shows the relationship between the lattice spacing and the current production amount. The anode (H-1.5), anode (H-3.0), anode (H-4.5) and anode (H-6.0), which are conductive shaped objects having a hexahedral lattice shape, were used. FIG. 7B shows the relationship between the lattice spacing and the current production amount. In FIGS. 7A and 7B, the current production amount (0.66 mA per 1 cm 3 of electrode) when the anode (CF) is used is shown by a solid line. As apparent from FIGS. 7A and 7B, the current production increases remarkably in the vicinity of the grid spacing of 3.0 mm, and particularly when the grid spacing is 2.5 mm or more and 3.5 mm or less. Was shown to be higher.

なお、実験後にそれぞれのアノードを光学顕微鏡で観察したところ、アノード1.5とアノードCFでは電極の外部の表面に多量の細菌(電子供与微生物)が付着して厚いバイオフィルムが形成されていることが確認されたが、電極の内部では殆ど細菌は付着していなかった。これらの電極では、バイオフィルム形成の為に電極表面の目が詰まり、基質および細菌が電極の内部に進入することができず、電流の生産が低かったと考えられる。一方、アノード3.0アノード4.5およびアノード6.0では電極の外部および内部の電極表面に細菌が付着していた。アノード3.0とアノード4.5とアノード6.0の隙間は、基質および細菌が電極の内部に進入できるサイズである考えられる。   In addition, when each anode was observed with an optical microscope after the experiment, a large amount of bacteria (electron-donating microorganisms) adhered to the outer surface of the anode 1.5 and anode CF, and a thick biofilm was formed. However, almost no bacteria adhered to the inside of the electrode. In these electrodes, the surface of the electrode is clogged due to biofilm formation, and the substrate and bacteria cannot enter the inside of the electrode, and it is considered that the current production was low. On the other hand, in the anode 3.0, the anode 4.5, and the anode 6.0, the bacteria adhered to the electrode surface outside and inside the electrode. The gap between anode 3.0, anode 4.5, and anode 6.0 is considered to be sized to allow the substrate and bacteria to enter the interior of the electrode.

また、アノード4.5とアノード6.0の電極の表面積は、アノード3.0よりも小さい。このためアノード4.5とアノード6.0は、十分な量のバイオフィルムが形成されず、アノード3.0はよりも少量の電流しか生産できなかったと考えられる。   The surface areas of the electrodes of the anode 4.5 and the anode 6.0 are smaller than that of the anode 3.0. Therefore, it is considered that the anode 4.5 and the anode 6.0 did not form a sufficient amount of biofilm, and the anode 3.0 could produce a smaller amount of current.

[実施例2]
実施例1において、最表面から内部に移行するにつれて格子間隔が6.0mm→4.5mm→3.0mm→1.5mmとなるように非連続的に小さくなるように、八面体の格子形状を有する複数種の格子が組み合わされて形成された導電性造形物を形成した。これを熱処理して、酸化処理を行ったところ、酸化処理後の導電性造形物は、表面および内部が黒色化しており、酸化鉄が形成されたことが確認された。この酸化処理後の上記導電性造形物をアノード(O−I)とした。
[Example 2]
In Example 1, the lattice shape of the octahedron is reduced so that the lattice spacing becomes discontinuously smaller from 6.0 mm → 4.5 mm → 3.0 mm → 1.5 mm as it moves from the outermost surface to the inside. A conductive shaped article formed by combining a plurality of types of lattices was formed. When this was heat-treated and subjected to an oxidation treatment, it was confirmed that the surface of the conductive shaped article after the oxidation treatment was blackened and iron oxide was formed. The conductive shaped article after the oxidation treatment was used as an anode (O-I).

アノードとしてアノード(O−I)を用いた以外は実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量は電極1cmあたり1.24mA/cmだった。 When a test was performed in the same manner as in Example 1 except that the anode (O-I) was used as the anode, the current production amount was 1.24 mA / cm 3 per 1 cm 3 of the electrode.

実施例1において、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が6.0mm→4.5mm→3.0mm→1.5mmとなるように非連続的に小さくなるように、六面体の格子形状を有する複数種の格子が組み合わされて形成された導電性造形物を形成した。これを熱処理して、酸化処理を行ったところ、酸化処理後の導電性造形物は、表面および内部が黒色化しており、酸化鉄が形成されたことが確認された。この酸化処理後の上記導電性造形物をアノード(H−I)とした。   In Example 1, a plurality of hexahedral lattice shapes are formed so that the lattice spacing is discontinuously decreased from 6.0 mm to 4.5 mm → 3.0 mm → 1.5 mm as it moves from the outside to the inside. A conductive shaped article formed by combining seed lattices was formed. When this was heat-treated and subjected to an oxidation treatment, it was confirmed that the surface of the conductive shaped article after the oxidation treatment was blackened and iron oxide was formed. The conductive shaped article after the oxidation treatment was used as an anode (HI).

アノードとしてアノード(H−I)を用いた以外は実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量は電極1cmあたり1.29mA/cmだった。 When a test was performed in the same manner as in Example 1 except that the anode (HI) was used as the anode, the current production amount was 1.29 mA / cm 3 per 1 cm 3 of the electrode.

これらの結果から、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が非連続的に小さくなるように、異なる格子形状を有する複数種の格子が組み合わされて形成された導電性造形物をアノードとすると、電流生産量がさらに増大することがわかる。   From these results, it is assumed that a conductive structure formed by combining a plurality of types of lattices having different lattice shapes so as to discontinuously decrease the lattice interval as it moves from the outside to the inside is used as an anode. It can be seen that the production amount further increases.

[実施例3]
実施例1におけるアノード(O−3.0)およびアノード(H−3.0)の上部から中心部にかけて、5.0mm径の挿入孔を形成した。上記挿入孔にチューブを挿入し、上記培地をチューブから電極内部に導入した後に、実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量はいずれも10%程度上昇した。
[Example 3]
An insertion hole having a diameter of 5.0 mm was formed from the upper part to the central part of the anode (O-3.0) and the anode (H-3.0) in Example 1. When a tube was inserted into the insertion hole and the medium was introduced into the electrode from the tube and then tested in the same manner as in Example 1, the current production increased by about 10%.

[実施例4]
実施例1におけるアノード(O−3.0)およびアノード(H−3.0)の側面に、1mm径・長さ8cmのステンレス製の棒を取り付けた。上記棒のうち、アノードの外延部から延出してアノードとは接しない位置にモーターを取り付け、回転速度が6rpm以上60rpm以下となるようにアノードを回転させながら、実施例1と同様に試験を行ったところ、電流生産量はいずれも10%程度上昇した。
[Example 4]
A stainless steel rod having a diameter of 1 mm and a length of 8 cm was attached to the side surfaces of the anode (O-3.0) and the anode (H-3.0) in Example 1. A test was performed in the same manner as in Example 1 while attaching a motor to a position of the rod extending from the outer extension of the anode and not contacting the anode, and rotating the anode so that the rotation speed was 6 rpm to 60 rpm. As a result, the current production increased by about 10%.

これらの結果から、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物をアノードに用いると、微生物電解セルにおける電流生産量(処理速度)が高まることが確認された。また、電流生産量が高まった理由は、電極の外部および内部における表面に電子供与微生物が多く付着したことによるものと推測されるため、微生物燃料電池などの他の生物電気化学システムにおける電流生産量(処理速度)も、同様に高め得ることが推測される。   From these results, when an integrally formed three-dimensional grid-shaped conductive shaped article including a grid having a grid interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less is used for the anode, the current production amount (treatment) in the microbial electrolysis cell Speed) was confirmed to increase. In addition, the reason why the current production increased was that it was assumed that many electron-donating microorganisms adhered to the surface outside and inside the electrode, so the current production in other bioelectrochemical systems such as microbial fuel cells. It is presumed that the (processing speed) can be similarly increased.

本発明に係る生物電気化学システム用電極は、微生物電解セルおよび微生物燃料電池などのアノードのほか、発電細菌を利用した生物化学的酸素要求量(BOD)のリアルタイムバイオセンサー用の電極や、微生物(酵素を含む)を用いても電気化学的な物質の分解および合成法に用いる電極としても有用である。   The electrode for a bioelectrochemical system according to the present invention includes an electrode for a biochemical oxygen demand (BOD) real-time biosensor using a power generation bacterium, an anode such as a microbial electrolysis cell and a microbial fuel cell, and a microorganism ( It is also useful as an electrode used in electrochemical decomposition and synthesis methods.

また、本発明に係る生物電気化学システムは、たとえば畜舎における廃水処理、食品加工工場などにおける排水処理、農村集落などにおける合併処理浄化槽の浄化処理、都市部における下水処理などにおいて有用である。   The bioelectrochemical system according to the present invention is useful in, for example, wastewater treatment in livestock barns, wastewater treatment in food processing factories, etc., purification treatment of combined treatment septic tanks in rural villages, and sewage treatment in urban areas.

100 微生物電解セル
110、210 容器
120、220 液体
122、222 電子供与微生物
130、230 アノード
130a 領域
132a、132b、132c 平面格子
140、244 カソード
150 参照電極
160 ポテンショスタット
170 水素回収部
172 水素ガス
180 水素貯蔵部
200 微生物燃料電池
240 膜電極接合体
242 隔膜
100 Microbial electrolysis cell 110, 210 Container 120, 220 Liquid 122, 222 Electron donating microorganism 130, 230 Anode 130a Region 132a, 132b, 132c Planar lattice 140, 244 Cathode 150 Reference electrode 160 Potentiostat 170 Hydrogen recovery part 172 Hydrogen gas 180 Hydrogen Storage unit 200 Microbial fuel cell 240 Membrane electrode assembly 242 Membrane

Claims (15)

生物電気化学システムにおいてアノードとして使用される電極であって、
格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子を含む、一体的に成形された立体格子状の導電性造形物を含む、
生物電気化学システム用電極。
An electrode used as an anode in a bioelectrochemical system,
Including a three-dimensional lattice-shaped conductive shaped article integrally formed, including a lattice having a lattice interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less,
Electrode for bioelectrochemical systems.
体積に対する表面積の比率である比表面積が469mm/cm以上1542mm/cm以下である、請求項1に記載の生物電気化学システム用電極。 The specific surface area is the ratio of surface area to volume is not more than 469mm 2 / cm 3 or more 1542mm 2 / cm 3, bioelectrochemical systems electrode according to claim 1. 固体占有率が6.1%以上19.3%以下である、請求項1または2に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to claim 1 or 2, wherein the solid occupancy is 6.1% or more and 19.3% or less. 前記格子は、格子を構成する枠の線径が0.5mm以下の格子である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the lattice is a lattice in which a diameter of a frame constituting the lattice is 0.5 mm or less. 前記導電性造形物は、前記格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の単一形状の格子が、最表面から内部にかけて連続して形成されてなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。   The conductive modeled object according to any one of claims 1 to 4, wherein a single-shaped lattice having a lattice interval of 2.5 mm or more and 3.5 mm or less is continuously formed from the outermost surface to the inside. The electrode for bioelectrochemical systems described in 1. 前記導電性造形物は、外部から内部に移行するにつれて格子間隔が連続的または非連続的に小さくなっていくように、格子間隔が異なる複数種の格子が組み合わされて形成されてなり、
前記複数種の格子の少なくとも一種は、格子間隔が2.5mm以上3.5mm以下の格子である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。
The conductive shaped article is formed by combining a plurality of types of lattices having different lattice intervals so that the lattice intervals become smaller continuously or discontinuously as it moves from outside to inside,
At least one of the plurality of types of lattices is a lattice having a lattice interval of 2.5 mm to 3.5 mm.
The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of claims 1 to 4.
前記導電性造形物は、最表面から内部にかけて、培地導入器具を挿入できる挿入孔を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive shaped article has an insertion hole into which a medium introduction device can be inserted from the outermost surface to the inside. 前記導電性造形物は、前記導電性造形物を回転させる回転駆動部を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to any one of claims 1 to 7, wherein the conductive shaped article has a rotation drive unit that rotates the conductive shaped article. 前記導電性造形物は、金属または金属酸化物を材料とする造形物である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to claim 1, wherein the conductive shaped article is a shaped article made of a metal or a metal oxide. 前記導電性造形物は、表面が酸化処理されている、請求項9に記載の生物電気化学システム用電極。   The electrode for a bioelectrochemical system according to claim 9, wherein a surface of the conductive shaped article is oxidized. 容器と、
前記容器内に収容された、有機物および電子供与微生物を含む液体と、
前記液体に接触するように配置されたアノードと、
前記液体に接触するように、またはカチオン透過性の隔膜を挟んで前記液体と隣接するように配置されたカソードと、を有し、
前記アノードは、請求項1〜10のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極である、
生物電気化学システム。
A container,
A liquid containing organic matter and electron-donating microorganisms contained in the container;
An anode disposed in contact with the liquid;
A cathode disposed in contact with the liquid or adjacent to the liquid across a cation permeable membrane;
The anode is an electrode for a bioelectrochemical system according to any one of claims 1 to 10.
Bioelectrochemical system.
前記生物電気化学システムは、微生物燃料電池である、請求項11に記載の生物電気化学システム。   12. The bioelectrochemical system according to claim 11, wherein the bioelectrochemical system is a microbial fuel cell. 前記アノードから前記カソードに電子が流れるように、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加部をさらに有し、
前記生物電気化学システムは、微生物電解セルである、
請求項11に記載の生物電気化学システム。
A voltage application unit that applies a voltage between the anode and the cathode so that electrons flow from the anode to the cathode;
The bioelectrochemical system is a microbial electrolysis cell;
The bioelectrochemical system according to claim 11.
導電性物質の微粒子を含む粉末材料の供給および前記供給された粉末材料へのレーザーまたは電子ビームの照射を含む粉末溶融工程を複数回行って、前記立体格子状の導電性造形物を一体的に造形する工程を有する、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。
Conducting a powder melting step including supplying a powder material containing fine particles of a conductive substance and irradiating the supplied powder material with a laser or an electron beam a plurality of times to integrally form the three-dimensional lattice-shaped conductive shaped object Having a process of shaping,
The manufacturing method of the electrode for bioelectrochemical systems of any one of Claims 1-10.
導電性造形物を造形する工程の後に、空気中または酸素存在下において前記造形された導電性造形物を火に接触させること、または200℃以上で熱処理することで前記導電性造形物を加熱する工程を有する、請求項14に記載の生物電気化学システム用電極の製造方法。   After the step of modeling the conductive modeling object, the conductive modeling object is heated by bringing the modeled conductive modeling object into contact with fire in the air or in the presence of oxygen, or by heat treatment at 200 ° C. or higher. The manufacturing method of the electrode for bioelectrochemical systems of Claim 14 which has a process.
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