RU153593U1

RU153593U1 - BIOELECTROCHEMICAL REACTOR

Info

Publication number: RU153593U1
Application number: RU2014143303/07U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федорович Лашин; Дэвард Иосифович Стом; Евгений Станиславович Протасов; Алексей Александрович Лапковский; Михаил Наумович Саксонов; Михаил Юрьевич Толстой; Елена Юрьевна Коновалова; Виктор Александрович Быбин; Роман Жардембергенович Мирманов
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2015-07-27

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности, к биоэлектрохимическому реактору, и может быть использована для создания электрохимических генераторов электричества. Предлагается биоэлектрохимический реактор, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную камеры с катодом, отличающийся тем, что, анод и катод выполнены из карбида кремния, при этом анод, запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть, а в верхней его части находится патрубок для аэрации. Технический эффект - увеличение удельной площади электродов биоэлектрохимического реактора без увеличения объема ячейки, повышение устойчивости к механическим и химическим воздействиям, снижение уровня перенапряжения катода без добавления в качестве катализатора драгоценных металлов, повышение выхода электроэнергии, интенсификация утилизации компонентов сточных вод. The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity in the process of biological wastewater treatment, in particular, to a bioelectrochemical reactor, and can be used to create electrochemical electricity generators. A bioelectrochemical reactor is proposed, made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode chamber with a cathode, characterized in that the anode and cathode are made of silicon carbide, while the anode is sealed on top and the lower part is sealed on the cathode, and in its upper part there is a pipe for aeration. EFFECT: increased specific area of electrodes of a bioelectrochemical reactor without increasing the cell volume, increased resistance to mechanical and chemical influences, reduced cathode overvoltage without adding precious metals as a catalyst, increased electricity yield, and intensified utilization of wastewater components.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности, к биоэлектрохимическому реактору, и может быть использована для создания электрохимических генераторов электричества.The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity in the process of biological wastewater treatment, in particular, to a bioelectrochemical reactor, and can be used to create electrochemical electricity generators.

Известен микробный биотопливный элемент /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г./, содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды, выполненные из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobactercerinus ВКМ В-1283.Known microbial biofuel element / RF patent for utility model No. 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 /, containing two cuvettes separated by an ion exchange membrane, one of which contains a suspension of microbial cells, a mediator of electronic transport, an oxidizable substrate, a buffer solution and a measuring electrode, in the other a reference electrode and a buffer solution, and the electrodes made of graphite are installed with the possibility of recording the electric potential generated between them, as a suspension and microbial strain used Gluconobactercerinus VKM B-1283.

Также известен микробный биотопливный элемент на основе штамма Gluconobacteroxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель №108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющее собой микробный биотопливный элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую, содержащее две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита), а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающееся тем, что использован штамм Gluconobacteroxydans ВКМ В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.Also known is a microbial biofuel element based on the Gluconobacteroxydans VKMV-1227 strain / RF patent for utility model No. 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 /, which is a microbial biofuel element that directly converts the energy of microbial oxidation of organic compounds into electrical energy, containing two cuvettes, in one of which there is a suspension of microbial cells, an electron transport mediator, an oxidizable substrate and a measuring electrode, in the other there is a reference electrode (both electrodes are made of graphite), and generated The th electric potential is recorded between the measuring electrode and the reference electrode, characterized in that the strain Gluconobacteroxydans VKM B-1227 was used, which was not previously used for this purpose.

Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический реактор, /Патент РФ №2496187 H01M 8/16 2012/, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества, выполненный в виде секционированной емкости, включающий анодную и катодную зоны, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, где катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов, отличающийся тем, что 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, а катодные электроды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.The closest analogue is a bioelectrochemical reactor, / RF Patent No. 2496187 H01M 8/16 2012 /, using organic compounds of wastewater as fuel for electricity production, made in the form of a partitioned vessel, including anode and cathode zones located in one vessel and separated by an ion-exchange membrane where the cathode zones are introduced into the anode zone through rectangular openings in the top cover of the reactor so that each cathode zone is located between two plates of anode electrodes, distinguishing In that the sections are formed by flat partitions containing holes for the flow of the liquid phase, the anode electrodes are bundles of thin carbon fiber wound on a frame in the form of a parallelepiped with the formation of four fiber surfaces and four internal channels for the passage of the liquid phase, and cathode electrodes They are air cathodes with a controlled supply of a minimum amount of cathode electrolyte to create a liquid film on the surface of the cathode electrode.

Недостатками представленных выше моделей является то, что они либо используют электроды из волокнистых и/или графитовых материалов, которые быстро придут в негодность при работе в условиях очистных сооружений (как из-за активного перемешивания сточных вод, так и из-за химически агрессивных компонентов, присутствующих в них) /Патент РФ №2496187 H01M 8/16 2012/, либо они вообще не предназначены для промышленного использования, а являются скорее лабораторными образцами /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г.; Патент РФ на полезную модель №108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г./. Кроме того, по полезной модели №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г. следует отметить, что в ней не решается проблема перенапряжения катода и требуются специфические катализаторы, которые приводят к увеличению себестоимости получаемой электроэнергии в микробном топливном элементе. Также по полезной модели 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г. следует отметить низкий уровень восстановления кислорода до воды.The disadvantages of the above models is that they either use electrodes made of fibrous and / or graphite materials, which will quickly become unusable when working in treatment facilities (both due to the active mixing of wastewater and chemically aggressive components, present in them) / RF Patent No. 2496187 H01M 8/16 2012 / or they are not intended for industrial use at all, but rather laboratory samples / RF Patent for Utility Model No. 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8 / 16 2011; RF patent for utility model No. 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 /. In addition, according to utility model No. 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011, it should be noted that it does not solve the problem of cathode overvoltage and requires specific catalysts that lead to an increase in the cost of electricity produced in the microbial fuel cell. Also, according to utility model 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011, a low level of oxygen reduction to water should be noted.

Задача предполагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.The objective of the proposed utility model is to address the above disadvantages.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический реактор, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную камеры с катодом, причем анод и катод выполнены из карбида кремния, при этом анод запаян сверху для избежания диффузии кислорода в анодную камеру, а у катода в верхней его части находится патрубок для аэрации, а нижняя часть катода запаяна для интенсификации процесса прохождения воздуха через поры катода.This object is achieved in that a bioelectrochemical reactor is proposed in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode chamber with a cathode, the anode and cathode made of silicon carbide, while the anode is sealed from above to prevent oxygen diffusion into the anode chamber and at the upper part of the cathode there is a nozzle for aeration, and the lower part of the cathode is sealed to intensify the process of air passing through the cathode pores.

Основные характеристики карбида кремния представлены в таблице 1.The main characteristics of silicon carbide are presented in table 1.

Для производства электроэнергии в биоэлектрохимических реакторах в условиях очистных сооружений наибольшее значение имеет высокая прочность данного материала, устойчивость к механическому и химическому воздействиям. Благодаря высокой площади поверхности и пористой структуре электродов появляется возможность как для иммобилизации большего числа микроорганизмов на аноде, так и интенсификации процесса восстановления кислорода до воды на катоде. Из-за наличия в составе карбида кремния примеси атомов металлов переменной валентности, выступающих в роли катализатора процесса восстановления кислорода, данный процесс на катоде еще более усиливается (таблица 2).For the production of electricity in bioelectrochemical reactors in sewage treatment plants, the high strength of this material, resistance to mechanical and chemical influences are of the greatest importance. Due to the high surface area and the porous structure of the electrodes, it becomes possible both to immobilize a larger number of microorganisms at the anode and to intensify the process of oxygen reduction to water at the cathode. Due to the presence in the composition of silicon carbide of impurities of metal atoms of variable valency, which act as a catalyst for the oxygen reduction process, this process at the cathode is further enhanced (table 2).

Схема биоэлектрохимического реактора с электродами из карбида кремния представлена на фиг. 1.A diagram of a bioelectrochemical reactor with silicon carbide electrodes is shown in FIG. one.

Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протонообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - токоснимающая часть, 8 - патрубок.FIG. 1, where 1 is the cell, 2 is the anode chamber, 3 is the cathode chamber, 4 is the proton exchange membrane, 5 is the anode, 6 is the cathode, 7 is the current collecting part, 8 is the pipe.

Предложенный биоэлектрохимический реактор в общем виде представляет собой ячейку 1. Она содержит два отсека - анодную 2 и катодную 3 камеры, разделенные протонообменной мембраной 4. Корпус ячейки изготовлен из прозрачного органического стекла. Анод 5 и катод 6 из карбида кремния закреплены в ячейке 1 посредством винтового соединения, а места контактов электродов с токоснимающей частью 7 выполнены из индия и скандия. Анод 5 запаян в верхней части, катод 6, напротив, запаян в нижней части, чтобы обеспечить прохождение воздуха через поры электрода. Для подачи воздуха в верхней части катода имеется патрубок 8, который соединен с компрессором. Воздух проходит через патрубок и вынужден просачиваться через поры электрода, что создает вокруг него воздушную «пену». Карбид кремния как материал является весьма привлекательным для микроорганизмов, не вызывает токсического действия на них, что позволяет развить на всей поверхности электрода мощную биопленку микроорганизмов-электрогенов, участвующих в процессах генерирования электрического тока при утилизации компонентов сточных вод. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с неодинаковыми условиями (кислородсодержащая катодная и бескислородная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.The proposed bioelectrochemical reactor in General is a cell 1. It contains two compartments - anode 2 and cathode 3 chambers separated by a proton exchange membrane 4. The cell body is made of transparent organic glass. The anode 5 and the cathode 6 made of silicon carbide are fixed in the cell 1 by means of a screw connection, and the contact points of the electrodes with the collector part 7 are made of indium and scandium. The anode 5 is sealed in the upper part, the cathode 6, in contrast, is sealed in the lower part to allow air to pass through the pores of the electrode. For air supply in the upper part of the cathode there is a pipe 8, which is connected to the compressor. Air passes through the nozzle and is forced to seep through the pores of the electrode, which creates an airy “foam” around it. Silicon carbide as a material is very attractive for microorganisms and does not cause toxic effects on them, which allows developing a powerful biofilm of microorganisms-electrogens on the entire electrode surface that are involved in the generation of electric current when utilizing wastewater components. The membrane is necessary both for the spatial separation of the two sections of the reactor with different conditions (oxygen-containing cathode and oxygen-free anode), and for the directed transfer of hydrogen protons from the anode chamber to the cathode.

Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которым может служить, к примеру, активный ил из очистных сооружений, коммерческие микробиологические препараты и т.п. В катодную камеру 3 наливают воду и включают аэрацию катодной камеры. Электроды 5 и 6 соединяются проводником и фиксируют с помощью измерительного прибора (вольтметра) повышение ЭДС.The device operates as follows: a biological object is introduced into the anode chamber 2, which, for example, can be activated sludge from treatment plants, commercial microbiological preparations, etc. Water is poured into the cathode chamber 3 and aeration of the cathode chamber is included. The electrodes 5 and 6 are connected by a conductor and fix the EMF increase using a measuring device (voltmeter).

Технический эффект - увеличение удельной площади электродов биоэлектрохимического реактора без увеличения объема ячейки, повышение устойчивости к механическим и химическим воздействиям, снижение уровня перенапряжения катода без добавления в качестве катализатора драгоценных металлов, повышение выхода электроэнергии, интенсификация утилизации компонентов сточных вод.EFFECT: increased specific area of electrodes of a bioelectrochemical reactor without increasing the cell volume, increased resistance to mechanical and chemical influences, reduced cathode overvoltage without adding precious metals as a catalyst, increased electricity yield, and intensified utilization of wastewater components.

Claims

A bioelectrochemical reactor made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode chamber with a cathode, characterized in that the anode and cathode are made of silicon carbide, while the anode is sealed at the top, and the lower part is sealed at the cathode and at the top part of the cathode is a nozzle for aeration.