RU145009U1

RU145009U1 - MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS

Info

Publication number: RU145009U1
Application number: RU2013159146/07U
Authority: RU
Inventors: Никита Николаевич Волченко; Андрей Александрович Самков; Александр Александрович Худокормов
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-09-10

Abstract

1. Топливный элемент, работающий при окислении органических веществ с помощью микроорганизмов, состоящий из анодной и катодной камер, содержащих анод и катод соответственно, разделенных ионообменной мембраной и заполненных жидкостью, анодная камера с патрубками содержит водный раствор органических веществ и микроорганизмы, окисляющие органические вещества, катод выполнен воздушным из постоянно увлажняемого материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода, отличающийся тем, что анод и катод выполнены из углеродного войлока, с большой удельной площадью поверхности, причем в аноде выполнены отверстия, катод примыкает непосредственно к ионообменной мембране, при этом анодная камера имеет входной патрубок, расположенный в нижней ее части, и выходной патрубок, расположенный в верхней ее части.2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки анодной камеры расположены так, что обеспечен приток и отток жидких отходов соответственно и поддержание уровня жидкости постоянным.3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что анодная камера заполнена жидкими отходами с органическими веществами в различных концентрациях с внесенной аликвотой донных отложений восстановительной зоны водоема.4. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что анодная камера имеет газоотводную трубку.5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что внешние электрические контакты анода и катода выполнены из токопроводящих графитовых стержней.1. A fuel cell operating during the oxidation of organic substances using microorganisms, consisting of an anode and cathode chambers containing an anode and a cathode, respectively, separated by an ion-exchange membrane and filled with a liquid, an anode chamber with nozzles contains an aqueous solution of organic substances and microorganisms that oxidize organic substances, the cathode is made of air from a constantly moistened material, to create a liquid film on the surface of the cathode, characterized in that the anode and cathode are made of carbon felt, with a large specific surface area, and holes are made in the anode, the cathode is adjacent directly to the ion-exchange membrane, while the anode the chamber has an inlet pipe located in its lower part and an outlet pipe located in its upper part. 2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet pipes of the anode chamber are located so that the inflow and outflow of liquid waste is ensured, respectively, and the liquid level is kept constant. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode chamber is filled with liquid waste with organic substances in various concentrations with an aliquot of bottom sediments of the recovery zone of the reservoir introduced. Fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode chamber has a gas outlet tube. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the external electrical contacts of the anode and cathode are made of conductive graphite rods.

Description

Полезная модель относится к биотехнологии, а именно к технике получения электрической энергии при окислении органических веществ с помощью микроорганизмов, к альтернативной энергетике, а также экологии.The utility model relates to biotechnology, and in particular to the technique of producing electrical energy by oxidizing organic substances using microorganisms, to alternative energy, as well as ecology.

Микробный топливный элемент (МТЭ) может быть использован для создания маломощных источников постоянного тока, используемых для питания светодиодного освещения, в том числе декоративного или аварийного, различных датчиков и сенсоров, для применения в научных исследованиях в области экологии и биотехнологии в качестве биосенсора, для применения в области защиты окружающей среды в качестве способа очистки сточных вод и других жидких отходов, содержащих органические соединения.A microbial fuel cell (MTE) can be used to create low-power direct current sources used to power LED lighting, including decorative or emergency, various sensors and sensors, for use in biomedical research in ecology and biotechnology, for use in the field of environmental protection as a method of treating wastewater and other liquid wastes containing organic compounds.

Наиболее распространена конструкция МТЭ, состоящая из двух частей, выполненных в виде камер: анодной и катодной, разделенных ионообменной системой. Камеры содержат электроды - анод и катод соответственно. Принцип работы МТЭ основан на возникновении электродвижущей силы между анодом и катодом, находящимися в двух средах с разными окислительно-восстановительными потенциалами и соединенных внешней цепью. При этом снижение окислительно-восстановительного потенциала в зоне расположения анода достигается за счет деятельности микроорганизмов, осуществляющих анаэробное разложение органических веществ. Передача электронов на электропроводящий материал анода может осуществляться либо от восстановленных молекул-переносчиков (медиаторов), либо непосредственно от микробных клеток. Накапливающиеся в среде анодной камеры протоны диффундируют через ионообменную систему к катоду. На катоде протоны взаимодействуют с атмосферным кислородом и электронами, образуя воду. При этом во внешней цепи протекает электрический ток.The most common MTE design, consisting of two parts made in the form of chambers: anode and cathode, separated by an ion-exchange system. The cameras contain electrodes - the anode and cathode, respectively. The principle of MFC operation is based on the occurrence of an electromotive force between the anode and cathode, located in two media with different redox potentials and connected by an external circuit. At the same time, the reduction of the redox potential in the anode location zone is achieved due to the activity of microorganisms performing anaerobic decomposition of organic substances. The transfer of electrons to the conductive material of the anode can be carried out either from the restored carrier molecules (mediators), or directly from microbial cells. Protons accumulating in the medium of the anode chamber diffuse through the ion-exchange system to the cathode. At the cathode, protons interact with atmospheric oxygen and electrons to form water. In this case, an electric current flows in the external circuit.

Известно устройство для осуществления способа получения электрической энергии от природного источника электричества. В качестве природного источника используют графитосодержащие породы, накапливающие электрический потенциал (патент РФ №2124822, МПК (6) H05F 7/00, H01M 8/22, опубл. 1999). Сеть положительных и отрицательных выводов, размещенных в различных зонах электропроводящих графитосодержащих пород подсоединяется к потенциалсуммирующим устройствам, позволяющим поднять напряжение природного источника электричества до требующегося уровня. Недостатком устройства являются потери энергии из-за использования энергетически малоэффективного потенциал суммирующего устройства релейного либо транзисторного типа, поскольку повышение напряжения внешней цепи последовательным подключением нескольких природных источников электричества на близрасположенных графитсодержащих породах ограничены.A device for implementing a method of producing electrical energy from a natural source of electricity. Graphite-containing rocks accumulating electric potential are used as a natural source (RF patent No. 2144822, IPC (6) H05F 7/00, H01M 8/22, publ. 1999). A network of positive and negative conclusions located in various zones of electrically conductive graphite-containing rocks is connected to potential-summing devices, which allow raising the voltage of a natural source of electricity to the required level. The disadvantage of this device is energy loss due to the use of the energy-ineffective potential of the summing device of a relay or transistor type, since the increase in the voltage of the external circuit by the series connection of several natural sources of electricity on nearby graphite-bearing rocks is limited.

Известен самовозбуждающийся источник электроэнергии на биохимической основе, содержащий внутри контейнера для электролита анод с покрытием из биохимического соединения, первый электрод и второй электрод, электроизолированные друг от друга и погруженные в электролит (патент РФ №2158990, МПК (7) H01M 8/16, H01M 14/00, опубл. 2000). Недостатками данного источника электроэнергии являются низкая энергоэффективность, высокая стоимость источника электроэнергии и высокие эксплуатационные затраты ввиду использования для материала электродов чистого никеля, кадмия, алюминия и других конструктивных материалов и реактивов, необходимых для генерации электротока.A self-excited biochemical-based source of electricity is known that contains inside the electrolyte container an anode coated with a biochemical compound, a first electrode and a second electrode, electrically isolated from each other and immersed in an electrolyte (RF patent No. 2158990, IPC (7) H01M 8/16, H01M 14/00, publ. 2000). The disadvantages of this source of electricity are low energy efficiency, high cost of the source of electricity and high operating costs due to the use of pure nickel, cadmium, aluminum and other structural materials and reagents necessary for generating electric current for the electrode material.

Известно устройство для способа получения электрической энергии, имеющее электродную пару из положительного и отрицательного электродов, окислительного и восстановительного реагентов, подаваемых в камеры электрохимической ячейки, разделенные пористой мембраной (патент РФ №2308125, H01M 14/00 (2006.01), H01M 8/10 (2006.01), опубл. 2007). Недостатком устройства является низкая энергоэффективность ввиду необходимости приведения по меньшей мере одного из электродов во вращательное движение, необходимости фильтрации электролита из приэлектродного пространства, необходимости электромагнитного или радиоактивного облучения электродных камер, необходимость энергозатратного барботажа катодной камеры.A device is known for a method of producing electric energy, having an electrode pair of positive and negative electrodes, oxidizing and reducing reagents supplied to the cells of an electrochemical cell separated by a porous membrane (RF patent No. 2308125, H01M 14/00 (2006.01), H01M 8/10 ( 2006.01), publ. 2007). The disadvantage of this device is low energy efficiency due to the need to bring at least one of the electrodes into rotational motion, the need to filter the electrolyte from the electrode space, the need for electromagnetic or radioactive irradiation of the electrode chambers, the need for energy-intensive bubbling of the cathode chamber.

Известны микробный биотопливный элемент на основе штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1283 (патент РФ №109758, C12M 1/00 (2006.01), C12N 13/00 (2006.01), Н01М 8/16 (2006.01), опубл. 2011) и микробный биотопливный элемент на основе штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1227 (патент РФ №108217, H01M 8/16 (2006.01), C12N 1/00 (2006.01), опубл. 2011). Микробные биотопливные элементы выполнены в виде двухкамерных двухэлектродных электрохимических ячеек, заполненных натрий-фосфатным буфером. В анодной камере суспензия клеток Gluconobacter oxydans окисляет глицерин в присутствии медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорофенолиндофенола и графитового электрода (анода). В катодной камере содержится окислитель гексацианоферрат(III) калия и графитовый электрод (катод). В качестве электродов используют графитовые стержни. Анодная и катодная камеры разделены посредством катионообменной мембраны МФ-4СК («Пластполимер», С.-Петербург). Максимальная абсолютная мощность данных микробных биотопливных элементов составляет 1.8-2,3 мкВт, относительная - 12,7-16.3 мВт/м² (площади анода). Недостатками данных микробных биотопливных элементов являются их малая мощность, ограничивающая практическое применение, необходимость введения в анодную камеру искусственного медиатора электронного транспорта, ограничивающая возможность создания проточных систем, использование чистой культуры микроорганизмов Gluconobacter oxydans, требующей питательной среды определенного состава и чувствительной к заражению посторонней микрофлорой, использование в качестве субстрата исключительно глицерина.Known microbial biofuel element based on the strain of Gluconobacter oxydans VKM B-1283 (RF patent No. 109758, C12M 1/00 (2006.01), C12N 13/00 (2006.01), H01M 8/16 (2006.01), publ. 2011) and microbial biofuel an element based on the Gluconobacter oxydans strain VKM B-1227 (RF patent No. 108217, H01M 8/16 (2006.01), C12N 1/00 (2006.01), publ. 2011). Microbial biofuel elements are made in the form of two-chamber two-electrode electrochemical cells filled with sodium phosphate buffer. In the anode chamber, a suspension of Gluconobacter oxydans cells oxidizes glycerin in the presence of an electron transport mediator of 2,6-dichlorophenolindophenol and a graphite electrode (anode). The oxidizing agent contains potassium hexacyanoferrate (III) and a graphite electrode (cathode). Graphite rods are used as electrodes. The anode and cathode chambers are separated by means of a cation exchange membrane MF-4SK (Plastpolymer, St. Petersburg). The maximum absolute power of these microbial biofuel elements is 1.8-2.3 μW, relative - 12.7-16.3 mW / m ² (anode area). The disadvantages of these microbial biofuel elements are their low power, limiting the practical use, the need to introduce an artificial electron transport mediator into the anode chamber, limiting the possibility of creating flow systems, the use of a pure culture of Gluconobacter oxydans microorganisms, which requires a nutrient medium of a certain composition and sensitive to infection by extraneous microflora, use exclusively glycerol as a substrate.

Наиболее близким аналогом является биоэлектрохимический реактор, использующий органические соединения сточных вод в качестве субстрата для производства электричества (патент РФ №2496187, H01M 8/16 (2006.01), опубл. 2013). Биоэлектрохимический реактор выполнен в виде секционированной емкости, включающей анодную и катодную зоны, разделенные ионообменной мембраной, причем каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Секции образованы плоскими перегородками, содержащими отверстия для протока жидкой фазы. Анодные электроды представляют собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда с образованием четырех поверхностей из волокна и четырех внутренних каналов для прохождения жидкой фазы. Катодные электроды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей за счет капиллярного эффекта минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.The closest analogue is a bioelectrochemical reactor using organic compounds of wastewater as a substrate for the production of electricity (RF patent No. 2496187, H01M 8/16 (2006.01), publ. 2013). The bioelectrochemical reactor is made in the form of a partitioned vessel, including the anode and cathode zones separated by an ion-exchange membrane, each cathode zone being located between two plates of anode electrodes. Sections are formed by flat partitions containing openings for the flow of the liquid phase. Anode electrodes are bundles of thin carbon fiber wound on a frame in the form of a parallelepiped with the formation of four surfaces of the fiber and four internal channels for the passage of the liquid phase. The cathode electrodes are air cathodes with a controlled supply due to the capillary effect of the minimum amount of cathode electrolyte to create a liquid film on the surface of the cathode electrode.

Недостатками данного технического решения являются: ограниченное использование биоэлектрохимического реактора в части используемого субстрата, а также малая величины выходного напряжения. Ввиду относительно низкой удельной площади углеродного материала анода (углеродного волокна, намотанного на каркас), на его поверхности затруднено формирование электрогенного микробного сообщества, в том числе, в результате вымывания электрогенной микрофлоры потоком жидкости. Использование биоэлектрохимического реактора ограничено использованием в качестве субстрата послеспиртовой барды с начальной концентрацией субстрата 40 г/л ХПК. Поскольку все аноды биоэлектрохимического реактора расположены в одной общей емкости, разделенной перфорированными сверху перегородками, и заполненной токопроводящей жидкостью, возможно только параллельное подключение анодно-катодных пар, обеспечивающее максимальную теоретически возможную величину напряжения около 1 В (Калюжный С.В., Федорович В.В. Микробные топливные элементы / Химия и жизнь, 2007, №5, с. 36-39). Последовательное подключение, обеспечивающее поднятие напряжения до необходимых величин без использования повышающих напряжение устройств, требует полной изоляции анодно-катодных пар.The disadvantages of this technical solution are: the limited use of the bioelectrochemical reactor in terms of the substrate used, as well as the low output voltage. Due to the relatively low specific area of the carbon material of the anode (carbon fiber wound on the frame), it is difficult to form an electrogenic microbial community on its surface, including as a result of leaching of electrogenic microflora by a fluid stream. The use of a bioelectrochemical reactor is limited to the use of post-alcohol stillage as a substrate with an initial substrate concentration of 40 g / l COD. Since all the anodes of the bioelectrochemical reactor are located in one common tank, separated by perforated baffles above, and filled with conductive fluid, only parallel connection of the anode-cathode pairs is possible, providing the maximum theoretically possible voltage value of about 1 V (Kalyuzhny S.V., Fedorovich V.V. Microbial fuel cells / Chemistry and Life, 2007, No. 5, pp. 36-39). Serial connection, providing voltage increase to the required values without the use of voltage-increasing devices, requires complete isolation of the anode-cathode pairs.

Задачей, на которую направлено предлагаемая полезная модель, - создание микробного топливного элемента, работающего в проточном или периодическом режиме и осуществляющего очистку различных жидких отходов с выработкой электрической энергии с повышенными показателями напряжения.The task to which the proposed utility model is directed is the creation of a microbial fuel cell operating in continuous or batch mode and purifying various liquid wastes with the generation of electric energy with increased voltage indices.

Достигаемый технический результат - расширение спектра используемых жидких отходов, подвергаемых очистке в микробном топливном элементе, повышение напряжения генерируемой электрической энергии.Achievable technical result - expanding the range of liquid wastes used, subjected to purification in a microbial fuel cell, increasing the voltage of the generated electrical energy.

Для достижения технического результата предлагается использовать микробный топливный элемент, состоящий из анодной и катодной камер с анодом и катодом соответственно, разделенных ионообменной мембраной и заполненных жидкостью, содержащей органические вещества в различных концентрациях для жизнедеятельности внесенного электрогенного микробного сообщества. В качестве электродного материала, использован углеродный войлок с большой удельной площадью поверхности, причем в материале анода выполнены отверстия. Катод выполнен воздушным из постоянно увлажняемого материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода, катод примыкает непосредственно к ионообменной мембране. Анодная камера имеет входной патрубок, расположенный в нижней ее части, и выходной патрубок, расположенный в верхней ее части.To achieve a technical result, it is proposed to use a microbial fuel cell consisting of an anode and cathode chambers with an anode and cathode, respectively, separated by an ion-exchange membrane and filled with a liquid containing organic substances in various concentrations for the life of the introduced electrogenic microbial community. As electrode material, carbon felt with a large specific surface area was used, and holes were made in the anode material. The cathode is made air from a constantly wetted material, to create a liquid film on the surface of the cathode, the cathode adjoins directly to the ion-exchange membrane. The anode chamber has an inlet pipe located in its lower part, and an outlet pipe located in its upper part.

Входной и выходной патрубки анодной камеры расположены так, что обеспечивают приток и отток жидких отходов соответственно и поддерживают уровень жидкости постоянным.The inlet and outlet nozzles of the anode chamber are arranged so as to ensure the inflow and outflow of liquid waste, respectively, and maintain the liquid level constant.

Анодная камера заполнена жидкими отходами с органическими веществами в различных концентрациях с внесенной аликвотой донных отложений восстановительной зоны водоема и имеет газоотводную трубку.The anode chamber is filled with liquid wastes with organic substances in various concentrations with an aliquot of the bottom sediments of the restoration zone of the reservoir and has a gas pipe.

Внешние электрические контакты анода и катода выполнены из токопроводящих графитовых стержней.External electrical contacts of the anode and cathode are made of conductive graphite rods.

Схема сборки микробного элемента, содержащего более одного заявляемого микробного топливного элемента, включает соединение патрубка выхода предыдущего МТЭ с патрубком входа последующего МТЭ, расположенного ниже предыдущего, и последовательное соединение электрического контакта анода предыдущего МТЭ с электрическим контактом катода последующего МТЭ. Газоотводные трубки анодных камер каждого МТЭ выведены на уровень, превышающий уровень жидких отходов самого верхнего МТЭ.The assembly diagram of the microbial element containing more than one of the claimed microbial fuel cell includes a connection of the outlet pipe of the previous MTE to the input pipe of the subsequent MTE located lower than the previous one, and a series connection of the electrical contact of the anode of the previous MTE with the electrical contact of the cathode of the subsequent MTE. The exhaust pipes of the anode chambers of each MFE are brought to a level that exceeds the level of liquid waste from the highest MFE.

В отличие от прототипа, в качестве материала анода используют углеродный войлок, представляющий собой биологически и химически стойкий электропроводящий материал с большой удельной поверхностью, обеспечивающей закрепление большого количества электрогенной микрофлоры, формирующей стабильные электрогенные характеристики МТЭ. Высокая электропроводность данного материала обеспечивает эффективную прямую передачу зарядов, передаваемых иммобилизованными микробными клетками электрогенного микробного сообщества. Взаимное расположение входных и выходных патрубков МТЭ обеспечивает анаэробные условия в зоне расположения анода и постоянный уровень жидкости, что позволяет использовать различные жидкие отходы, содержащие органические вещества в различных концентрациях для жизнедеятельности внесенного электрогенного микробного сообщества.Unlike the prototype, carbon felt is used as the anode material, which is a biologically and chemically resistant electrically conductive material with a large specific surface, which secures a large amount of electrogenic microflora, which forms stable electrogenic characteristics of MFCs. The high electrical conductivity of this material provides effective direct transfer of charges transmitted by immobilized microbial cells of the electrogenic microbial community. The mutual arrangement of the inlet and outlet pipes of the MTE provides anaerobic conditions in the zone of the anode and a constant liquid level, which allows the use of various liquid wastes containing organic substances in various concentrations for the life of the introduced electrogenic microbial community.

Для непрерывного эффективного тока жидких отходов, подвергаемых очистке, последовательно соединим микробные топливные элементы так, что патрубок выхода предыдущего МТЭ был соединен с патрубком входа последующего МТЭ, расположенного ниже предыдущего, что обеспечивает наличие участков разрывов струи между отдельными МТЭ. Для отведения газов газоотводные трубки каждого МТЭ выведены на уровень, превышающий уровень жидких отходов самого верхнего МТЭ. Электрические контакты МТЭ также были соединены последовательно, т.е. электрический контакт катода с электрическим контактом анода последующего МТЭ, а контакт катода с последующим контактом анода и так далее.For a continuous effective current of liquid waste being treated, we will connect microbial fuel cells in series so that the outlet pipe of the previous MTE is connected to the inlet of the subsequent MTE located lower than the previous one, which ensures the presence of sections of jet breaks between individual MTEs. To remove gases, the exhaust pipes of each MFE are brought to a level that exceeds the level of liquid waste from the highest MFE. MTE electrical contacts were also connected in series, i.e. the electrical contact of the cathode with the electrical contact of the anode of the subsequent MTE, and the contact of the cathode with the subsequent contact of the anode, and so on.

На рисунке 1 дано схематическое строение микробного топливного элемента. На рисунке 2 приведена схема последовательного соединения нескольких микробных топливных элементов, обеспечивающая энергоэффективный непрерывный ток жидких отходов, подвергаемых очистке, по направлению, указанному стрелками, с наличием участков разрыва струи между отдельными МТЭ, На рис. 3 приведена электрическая схема, позволяющая исследовать мощность электрического тока МТЭ; на рисунке 4 приведена зависимость мощности электрического тока МТЭ от величины сопротивления.Figure 1 shows the schematic structure of a microbial fuel cell. Figure 2 shows the series connection of several microbial fuel cells, which provides an energy-efficient continuous flow of liquid waste to be cleaned in the direction indicated by the arrows, with the presence of sections of the jet rupture between the individual fuel cells. 3 shows the electrical circuit, allowing to study the power of the electric current of the MFC; Figure 4 shows the dependence of the power of the MTE electric current on the resistance value.

Микробный топливный элемент состоит из анодной камеры 1 и катодной камеры 2, разделенных ионообменной мембраной 3 (рис. 1). Анодная камера 1 заполнена жидкими отходами 4, уровень которых задается взаиморасположением входного 5 и выходного 6 патрубков. В анодной камере 1 расположен анод 7, изготовленный из углеродного войлока, закрепленного на каркасе 8, выполненом, например, сетчатым или решетчатым, газоотводный патрубок 9, служащий для сброса избыточного давления в анодной камере 1 МТЭ в атмосферу. В углеродном материале анод 7 выполнены отверстия 10, служащие для облегчения протока жидких отходов 4. В катодной камере 2 расположен катод 11, изготовленный из углеродного войлока, контактирующего с катодным электролитом 12 в катодной камере 2. Ионообменная мембрана 3 закреплена между анодной 1 и катодной 2 камерами, например, при помощи болтового соединения 13. Внешние электрические контакты 14 анода 7 и 15 катода 11 служат для электрического подключения МТЭ. Непосредственное примыкание катода 11 к ионообменной мембране 3 обеспечивает, например, воздухопроницаемый каркас 16.A microbial fuel cell consists of an anode chamber 1 and a cathode chamber 2, separated by an ion-exchange membrane 3 (Fig. 1). The anode chamber 1 is filled with liquid waste 4, the level of which is set by the relative position of the inlet 5 and outlet 6 pipes. Anode 7 is located in the anode chamber 1, made of carbon felt, mounted on a frame 8, made, for example, mesh or trellised, a gas outlet 9, which serves to relieve excess pressure in the anode chamber 1 of the MFE to the atmosphere. Holes 10 are made in the carbon material of the anode 7, which serve to facilitate the flow of liquid waste 4. In the cathode chamber 2 there is a cathode 11 made of carbon felt in contact with the cathode electrolyte 12 in the cathode chamber 2. The ion-exchange membrane 3 is fixed between the anode 1 and cathode 2 cameras, for example, using a bolted connection 13. External electrical contacts 14 of the anode 7 and 15 of the cathode 11 are used for electrical connection of the MFC. The direct abutment of the cathode 11 to the ion exchange membrane 3 provides, for example, a breathable frame 16.

Микробный топливный элемент работает следующим образом. Анодную камеру 1 заполняют жидкими отходами 4 с внесенными электрогенными микробными сообществами. Анод 7 и катод 11 замыкаются накоротко через внешние электрические контакты 14 анода 7 и 15 катода 11. При этом имеющиеся в анодной камере 1 микроорганизмы, способные к деструкции данных органических отходов, а также способные к прямой передаче заряда на углеродный материал, из которого изготовлен анод 7, формируют на поверхности волокон углеродного войлока электрогенное микробное сообщество. В этом процессе играет роль повышение концентрации растворенных питательных веществ вблизи границы раздела твердой и жидкой фаз, а также энергетически выгодная для микроорганизмов передача избыточных электронов, образующихся в результате анаэробного окисления органических веществ, во внешнюю электрическую цепь на контакты 14, 15 непосредственно через анод 7. Протоны, накапливающиеся в анодной камере 1, диффундируют через ионообменную мембрану 3 в катодную камеру 2. Передаваемые на анод 7 электроны движутся по электрической цепи к катоду 11, где взаимодействуют с прошедшими через ионообменную мембрану 3 протонами и атмосферным кислородом, образуя воду и обеспечивая протекание электрического тока.Microbial fuel cell operates as follows. The anode chamber 1 is filled with liquid waste 4 with introduced electrogenic microbial communities. The anode 7 and the cathode 11 are short-circuited through external electrical contacts 14 of the anode 7 and 15 of the cathode 11. In this case, microorganisms present in the anode chamber 1 are capable of degrading these organic wastes, as well as capable of direct charge transfer to the carbon material of which the anode is made 7 form an electrogenic microbial community on the surface of the fibers of the carbon felt. In this process, the role of increasing the concentration of dissolved nutrients near the interface between the solid and liquid phases plays a role, as well as the transfer of excess electrons formed as a result of anaerobic oxidation of organic substances to the external electrical circuit to contacts 14, 15 directly through anode 7, which is energetically favorable for microorganisms. Protons that accumulate in the anode chamber 1 diffuse through the ion-exchange membrane 3 into the cathode chamber 2. The electrons transmitted to the anode 7 move along the electric circuit to the cathode 11 where they interact with 3 protons and atmospheric oxygen passing through the ion exchange membrane 3, forming water and ensuring the flow of electric current.

Пример 1. Исследовали зависимость мощности электрического тока микробного топливного элемента в зависимости от величины прилагаемого внешнего сопротивления в ходе очистки жидких отходов 4. Для этого, анодную камеру 1 МТЭ заполнили жидкими отходами 4, в качестве жидких отходов использовали микробный гидролизат отходов бумаги. В качестве внесенного электрогенного микробного сообщества использовали микрофлору донных отложений восстановительной зоны озера Карасун (Краснодар, Россия). Анод 7 и катод 11, выполненные из углеродного войлока НТМ-200М ОАО «НИИЭИ», были замкнуты накоротко через электрические контакты 14 и 15. К ним в электрическую цепь были подключены вольтметр, амперметр и магазин сопротивлений (обозначенные как V, A и R соответственно на рис. 3).Example 1. We studied the dependence of the electric current power of a microbial fuel cell on the value of the applied external resistance during the treatment of liquid waste 4. For this, the anode chamber 1 of the MFC was filled with liquid waste 4, and a microbial hydrolyzate of paper waste was used as liquid waste. The microflora of bottom sediments of the restoration zone of Karasun Lake (Krasnodar, Russia) was used as the introduced electrogenic microbial community. Anode 7 and cathode 11, made of NTM-200M carbon felt by NIIEI OJSC, were short-circuited through electrical contacts 14 and 15. A voltmeter, ammeter and resistance store (designated as V, A and R, respectively) were connected to them in an electric circuit. in fig. 3).

При дискретном варьировании величины внешнего сопротивления R в диапазоне 0-10000 Ом, измеряли значения напряжения на полюсах R и силы тока, протекающего через резистор. Мощность определяли как произведение силы тока и напряжения. Зависимость мощности от величины сопротивления приведена на рисунке 4. Из рисунка 4 видно, что максимальная мощность МТЭ отмечается при минимальной величине внешнего сопротивления и составляет около 0,16 мВт. Стабильные мощностные характеристики (около 0,1 мВт) наблюдаются при величинах сопротивлений 0,01-1 кОм. Скачкообразные изменения мощности на рисунке 4 обусловлены аппаратными особенностями измерения (дискретное механическое переключение между величинами сопротивлений).With a discrete variation of the external resistance value R in the range of 0-10000 Ohm, the voltage values at the poles of R and the current strength flowing through the resistor were measured. Power was defined as the product of current and voltage. The dependence of power on the resistance value is shown in Figure 4. From Figure 4 it can be seen that the maximum power of the MFC is observed at a minimum value of external resistance and is about 0.16 mW. Stable power characteristics (about 0.1 mW) are observed at resistance values of 0.01-1 kOhm. The abrupt changes in power in Figure 4 are due to the hardware features of the measurement (discrete mechanical switching between the resistance values).

Пример 2. Исследовали качество очистки разных типов жидких отходов с помощью МТЭ по значению химического потребления кислорода (ХПК). Для этого, микробный топливный элемент заполняли жидкими отходами 4 разных типов, приведенных в таблице. Измеряли концентрацию субстрата, поступающего на входной патрубок 5 и выходной патрубок 6 анодной камеры 1 МТЭ. Результаты измерений приведены в таблице. При очистке жидких отходов 4 МТЭ генерировал электрический ток.Example 2. The quality of treatment of different types of liquid wastes using MTE was studied by the value of chemical oxygen demand (COD). For this, the microbial fuel cell was filled with liquid waste of 4 different types shown in the table. We measured the concentration of the substrate entering the inlet pipe 5 and the outlet pipe 6 of the anode chamber 1 of the MFC. The measurement results are shown in the table. When treating liquid waste, 4 MFC generated an electric current.

ТаблицаTable Снижение концентрации субстрата в жидких отходах в МТЭDecrease in substrate concentration in liquid waste in MTE Наименование отходаName of waste Значение ХПК (мг/л)COD value (mg / l) На входе в МТЭAt the entrance to the MTE На выходе из МТЭAt the exit of MTE Сточные воды заводаFactory Wastewater 188188 9999 Микробный гидролизат отходов бумагиMicrobial paper waste hydrolyzate 1013010130 70607060 Отработанная вода с органическим рыбоводным осадкомWastewater with organic fish sediment ПОBY 6767 Раствор глюкозыGlucose solution 755755 9898

Как видно из таблицы, предлагаемый микробный топливный элемент при выработке электрической энергии обеспечил снижение концентрации субстрата в 1,44-7,70 раза в зависимости от типа отходов, что показывает эффективность использования данного МТЭ для очистки более широкого круга отходов по сравнению с прототипом.As can be seen from the table, the proposed microbial fuel cell during the generation of electric energy ensured a decrease in substrate concentration by 1.44-7.70 times depending on the type of waste, which shows the efficiency of using this MFE to clean a wider range of waste compared to the prototype.

Пример 3. Рассмотрим последовательное соединение четырех микробных топливных элементов, обеспечивающее энергетически эффективный непрерывный ток жидких отходов 4, подвергаемых очистке. В качестве отходов использовали микробный гидролизат отходов бумаги. МТЭ соединены были последовательно, а именно, выходной патрубок 6 самого высоко расположенного МТЭ был соединен с входным патрубком 5 последующего МТЭ, расположенного ниже предыдущего и так далее. Газоотводные трубки 9 каждого МТЭ были выведены на уровень, превышающий уровень жидких отходов 4 самого верхнего МТЭ. Измерили величину разности потенциалов на электрических контактах 14 и 15 МТЭ. Разность потенциалов, измеренная отдельно на электрических контактах 14 и 15 каждого из четырех МТЭ варьировалась в пределах от 0,54 до 0,66 В.Example 3. Consider the serial connection of four microbial fuel cells, providing an energy-efficient continuous flow of liquid waste 4 subjected to purification. As waste, a microbial hydrolyzate of paper waste was used. MTEs were connected in series, namely, the outlet pipe 6 of the highest located MTE was connected to the inlet pipe 5 of the subsequent MTE located below the previous one and so on. The gas exhaust pipes 9 of each MTE were brought to a level exceeding the level of liquid waste 4 of the highest MTE. Measured the value of the potential difference at the electrical contacts 14 and 15 MTE. The potential difference, measured separately at the electrical contacts 14 and 15 of each of the four MFCs, ranged from 0.54 to 0.66 V.

Затем последовательно соединили электрический контакт 14 анода 7 с электрическим контактом 15 катода 11 последующего МТЭ. Итак, для всех четырех МТЭ. В образовавшуюся электрическую цепь был подключен вольтметр (рис. 2). После чего было проведено измерение разности потенциалов, оказавшееся равным 2,4 В, то есть арифметической сумме величин напряжений всех отдельных МТЭ.Then, the electrical contact 14 of the anode 7 was sequentially connected to the electrical contact 15 of the cathode 11 of the subsequent MFC. So, for all four MTEs. A voltmeter was connected to the formed electric circuit (Fig. 2). After that, the potential difference was measured, which turned out to be equal to 2.4 V, that is, the arithmetic sum of the voltage values of all individual MFCs.

Таким образом, предлагаемый микробный топливный элемент позволяет получать более высокое напряжение по сравнению с прототипом. Повышение величины напряжения обуславливает возможность прямого использования получаемой энергии, например, для светодиодного освещения. Кроме того, использование заявляемого микробного топливного элемента обеспечивает очистку жидких отходов различных типов с выработкой электрической энергии с повышенными показателями напряжения.Thus, the proposed microbial fuel cell allows to obtain a higher voltage compared to the prototype. Increasing the voltage value makes it possible to directly use the energy received, for example, for LED lighting. In addition, the use of the inventive microbial fuel cell provides the purification of liquid waste of various types with the generation of electrical energy with high voltage indicators.

Claims

1. A fuel cell operating in the oxidation of organic substances using microorganisms, consisting of an anode and cathode chambers containing an anode and a cathode, respectively, separated by an ion-exchange membrane and filled with liquid, the anode chamber with nozzles contains an aqueous solution of organic substances and microorganisms that oxidize organic substances, the cathode is made air from a constantly moistened material, to create a liquid film on the surface of the cathode, characterized in that the anode and cathode are made of carbon howl eye, with a high specific surface area, wherein the anode is provided with holes, the cathode is directly adjacent to the ion exchange membrane, the anode chamber has an inlet disposed at a lower portion thereof and an outlet disposed in the upper portion thereof.

2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet pipes of the anode chamber are arranged so that the inflow and outflow of liquid waste, respectively, and maintaining the liquid level constant.

3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode chamber is filled with liquid waste with organic substances in various concentrations with an aliquot of bottom sediments of the recovery zone of the reservoir.

4. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode chamber has a gas pipe.

5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the external electrical contacts of the anode and cathode are made of conductive graphite rods.