RU170868U1

RU170868U1 - BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT

Info

Publication number: RU170868U1
Application number: RU2016151451U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федорович Лашин; Николай Дмитриевич Борохоев; Маргарита Сергеевна Красавцева; Дэвард Иосифович Стом; Галина Олеговна Жданова; Михаил Юрьевич Толстой
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.Биоэлектрохимический элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, и имеют токосниматель, отличающийся тем, что анод и катод, в соответствующих камерах, выполнены в виде трубок разного диаметра, вставленные друг в друга так, чтобы между ними имелся зазор для протекания среды, а токосниматель выполнен в виде пластины, плотно примыкающей к стенкам центральной трубки, причем трубки между собой и токосниматель жестко зафиксированы приваренными металлическими прутками, при этом все элементы выполнены из меди, покрытой никелем, поверх которого нанесен слой углеродной краски.Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического элемента.The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity during biological wastewater treatment. A bioelectrochemical cell made in the form of a cell divided by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated and have a current collector characterized in that the anode and cathode in the respective chambers are made in the form of tubes of different diameters inserted into each other so that there is a gap between them for the flow of media s, and the current collector is made in the form of a plate tightly adjacent to the walls of the central tube, and the tubes between themselves and the current collector are rigidly fixed with welded metal rods, while all elements are made of copper coated with nickel, on top of which a layer of carbon paint is applied. Technical result - increase the effectiveness of the bioelectrochemical element.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity during biological wastewater treatment.

Известен /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г./ биоэлектрохимический элемент, содержащий разделенные между собой посредством протоннообменной мембраны на две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, а в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды выполнены из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter Cerinus ВКМ В-1283.Known / Patent of the Russian Federation for utility model No. 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 / bioelectrochemical cell containing separated by a proton exchange membrane into two cuvettes. One contains a suspension of microbial cells, an electron transport mediator, an oxidizable substrate, a buffer solution and a measuring electrode, and the other contains a reference electrode and a buffer solution, the electrodes being made of graphite and installed to record the electric potential generated between them as a suspension of microbial cells used strain Gluconobacter Cerinus VKM B-1283.

Также известен биоэлектрохимический элемент на основе не использовавшегося ранее с этой целью штамма GluconobacterOxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель №108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющий собой биоэлектрохимический элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую. Содержит две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, а в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита). А генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения.Also known is a bioelectrochemical cell based on the GluconobacterOxydans strain VKMB-1227 not previously used for this purpose / RF Patent for Utility Model No. 108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 /, which is a bioelectrochemical cell that directly converts the energy of microbial oxidation of organic connections to the electric. It contains two cuvettes, one of which contains a suspension of microbial cells, a mediator of electron transport, an oxidizable substrate and a measuring electrode, and the other contains a reference electrode (both electrodes are made of graphite). And the generated electrical potential is recorded between the measuring electrode and the reference electrode.

Известен реактор /Патент РФ №2496187 Н01М 8/16 2012 г./, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества. Анодные и катодные зоны, разделенные протоннообменной мембраной, расположены таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Для чего катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора. Анод представляет собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда, образуя четыре поверхности из волокна и четыре внутренних канала для прохождения жидкой фазы, тогда как катод представляет собой воздушный электрод с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.Known reactor / Patent of the Russian Federation No. 2496187 H01M 8/16 2012 /, using organic compounds of wastewater as fuel for electricity production. The anode and cathode zones, separated by a proton exchange membrane, are arranged so that each cathode zone is located between two plates of anode electrodes. For this, the cathode zones are introduced into the anode zone through rectangular openings in the upper reactor lid. The anode is a bundle of thin carbon fiber wound around the frame in the form of a parallelepiped, forming four surfaces of the fiber and four internal channels for the passage of the liquid phase, while the cathode is an air electrode with controlled supply of a minimum amount of cathode electrolyte to create a liquid film on the surface cathode electrode.

Недостатками являются низкая генерация электричества и высокая стоимость создания элементов.The disadvantages are the low generation of electricity and the high cost of creating elements.

Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический элемент /Патент РФ №153593 Н01М 8/16 2015 г./, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Анод и катод выполнены из карбида кремния, анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть, при этом в верхней части имеется патрубок для аэрации, интенсифицирующей процесс восстановления атомов водорода до воды.The closest analogue is a bioelectrochemical cell / RF Patent No. 153593 Н01М 8/16 2015 /, made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated. The anode and cathode are made of silicon carbide, the anode is sealed at the top, and the lower part is sealed at the cathode, while at the top there is a nozzle for aeration, which intensifies the process of restoration of hydrogen atoms to water.

Недостатками являются хрупкость электродов и не однородность карбида кремния, что вызывает образование начального потенциала между катодом и анодом, что вызывает снижение генерации электричества.The disadvantages are the fragility of the electrodes and the heterogeneity of silicon carbide, which causes the formation of the initial potential between the cathode and the anode, which causes a decrease in the generation of electricity.

Задача предлагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.The objective of the proposed utility model is aimed at eliminating the above disadvantages.

Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического элемента.The technical result is an increase in the efficiency of the bioelectrochemical element.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, и имеют токосниматель, отличающийся тем, что анод и катод, в соответствующих камерах, выполнены в виде трубок разного диаметра, вставленные друг в друга так, чтобы между ними имелся зазор для протекания среды, а токосниматель выполнен в виде пластины, плотно примыкающей к стенкам центральной трубки, причем трубки между собой и токосниматель жестко зафиксированы приваренными металлическими прутками, при этом все элементы выполнены из меди, покрытой никелем, поверх которого нанесен слой углеродной краски.This object is achieved in that a bioelectrochemical cell is proposed in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated, and have a current collector, characterized in that the anode and cathode, in the respective chambers, made in the form of tubes of different diameters, inserted into each other so that between them there was a gap for the flow of the medium, and the current collector is made in the form of a plate, the center closely adjacent to the walls Flax tube, the tube between itself and current collector firmly fixed welded metal bars, and all elements are made of copper coated with nickel, on top of which a layer of carbon ink.

При производстве электроэнергии в биоэлектрохимическом элементе очень важна хорошая электропроводность, а также стойкость электродов к механическому и химическому воздействию. Основой для создания электродов использовалась медь, поскольку она обладает хорошей токопроводностью, которая для защиты была покрыта никелем. Никель, в свою очередь, обладает хорошей стойкостью к коррозии на воздухе и в жидкостях, в том числе в кислотах и щелочах, при том не обладает токсичностью для микроорганизмов. Углеродная краска была использована для лучшей адгезии микроорганизмов на анод. Увеличение площади поверхности электродов обусловлено многоярусной конструкцией. Электроды представляют собой трубки разного диаметра, которые вставлены друг в друга и жестко сварены, так чтобы между ними имелся небольшой зазор для протекания между ними среды. В центральной трубке имеется пластина, плотно примыкающая к ее внутренним стенкам, и служит токоснимателем и для крепежа электродов в элементе.In the production of electricity in a bioelectrochemical cell, good electrical conductivity and the resistance of the electrodes to mechanical and chemical effects are very important. Copper was used as the basis for creating the electrodes, since it has good conductivity, which was coated with nickel for protection. Nickel, in turn, has good resistance to corrosion in air and in liquids, including acids and alkalis, while it does not have toxicity to microorganisms. Carbon paint was used for better adhesion of microorganisms to the anode. The increase in the surface area of the electrodes is due to the multi-tiered design. The electrodes are tubes of different diameters, which are inserted into each other and rigidly welded, so that there is a small gap between them for the medium to flow between them. In the central tube there is a plate that is tightly adjacent to its inner walls, and serves as a current collector for fixing electrodes in the cell.

Схема биоэлектрохимического элемента представлена на фиг. 1, где а - вид сбоку, б - вид спереди, в - вид сверху, г - вид анода и катода снизу.A diagram of a bioelectrochemical cell is shown in FIG. 1, where a is a side view, b is a front view, c is a top view, d is a bottom view of the anode and cathode.

Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протонообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - пластина-токосниматель, 8 - металлические прутки, 9 - патрубок для аэрации.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 collector plate, 8 is the metal rod, 9 is the aeration pipe.

Предложенный биоэлектрохимический элемент 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 закреплены в ячейке 1 посредством токоснимателя 7, выполненного в виде пластины в центральной трубке, соединение трубок между собой и токоснимающей пластиной произведено с помощью приваренных металлических прутков 8. Для аэрации катодной камеры в верхней части катода имеется патрубок 9, который соединен с воздушным компрессором. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с не одинаковыми кислородными условиями (аэробная катодная и анаэробная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.The proposed bioelectrochemical cell 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 cathode 6 are fixed in cell 1 by a current collector 7 made in the form of a plate in the central tube, the tubes are connected to each other and the current collector by means of welded metal rods 8. For aeration of the cathode chamber, there is a pipe 9 in the upper part of the cathode that is connected with air compressor. The membrane is necessary both for the spatial separation of the two sections of the reactor with unequal oxygen conditions (aerobic cathodic and anaerobic anodic), 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, которыми могут выступать, к примеру, коммерческие микробиологические препараты, а также среду и субстрат. В катодную камеру 3 наливают аналогичную среду, погружают в камеры анод 5 и катод 6, герметично закрепив их с помощью токоснимателя 7, подключают аэрацию с помощью патрубка 9. К токоснимателю электродов 7 присоединяется измерительный прибор, например мультиметр, и фиксируются изменения ЭДС и силы тока.The device works as follows: a biological object is introduced into the anode chamber 2, which, for example, commercial microbiological preparations, as well as the medium and substrate, can act. A similar medium is poured into the cathode chamber 3, immersed in the anode 5 and cathode 6 chambers, hermetically securing them with the current collector 7, aeration is connected using the nozzle 9. A measuring device, for example a multimeter, is connected to the current collector of the electrodes 7, and changes in the EMF and current strength are recorded .

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №13.1263.2014/K от 11.07.2014).This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation as part of the implementation of the design part of the state task in the field of scientific activity (Task No. 13.1263.2014 / K of 07/11/2014).

Claims

A bioelectrochemical cell made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated, and have a current collector, characterized in that the anode and cathode in the respective chambers are made in the form tubes of different diameters inserted into each other so that there is a gap between them for the medium to flow, and the current collector is made in the form of a plate that is adjacent to the walls of the central tube, and the tubes are between themselves and the current collector They are rigidly fixed by welded metal rods, while all the elements are made of copper coated with nickel, on top of which a layer of carbon paint is applied.