RU175765U1

RU175765U1 - Bioelectrochemical device

Info

Publication number: RU175765U1
Application number: RU2017125358U
Authority: RU
Inventors: Игорь Игоревич Сащенко; Светлана Александровна Кусачева; Сергей Иванович Черняев; Вячеслав Константинович Ильин; Мария Евгеньевна Сафронова; Павел Андреевич Мартынов; Алла Юрьевна Логинова; Алексей Сергеевич Гордеев
Original assignee: Игорь Игоревич Сащенко; Светлана Александровна Кусачева
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2017-12-19

Abstract

Полезная модель относится к техническим устройствам, предназначенным для получения электрической энергии при окислении органических соединений микроорганизмами, и может быть использована для создания маломощных источников тока.К техническому результату относится повышение эффективности работы устройства за счет генерации электроэнергии, кроме того, за счет интенсификации утилизации компонентов сточных вод.Технический результат достигается благодаря тому, что биоэлектрохимическое устройство содержит секционированную емкость в виде горизонтально-ориентированного прямоугольного параллелепипеда, включающего анодную и катодную камеры, в которых размещены электроды. Анодная камера выполнена герметичной и снабжена двумя держателями, расположенными вдоль передней и задней внутренних стенок анодной камеры, каждый из которых выполнен из трех горизонтально ориентированных пластин, расположенных друг над другом и служащих направляющими для трех лотков, каждый с одним анодным электродом. Лотки выполнены в виде прямоугольных ящичков и с возможностью перемещения по направляющим. Лотки с электродами и активным илом, содержащим колонию бактерий, расположены в анодной камере, заполненной субстратом в виде органических соединений сточных вод. При этом катодная камера снабжена латунным электродом и заполнена дистиллированной водой. Ионообменная мембрана, разделяющая анодную и катодную часть камеры, снабжена резиновыми прокладками с отверстиями, служащими для регулирования объема открытой зоны ионообменной мембраны. Наконец анодная камера выполнена с тремя отверстиями на верхней крышке, снабженными шаровыми кранами, одно из которых служит для заливки субстрата, а два других, расположенных диагонально, служат одно для продувки азотом для обеспечения анаэробных условий бактерий, а другое для вывода атмосферного воздуха через гидрозатвор. При этом боковая стенка анодной камеры также снабжена отверстием с шаровым краном, служащим для слива субстрата. Каждый электрод снабжен токоснимателем, соединяющим их с помощью кабеля с коробкой для генерации полученной электроэнергии.The invention relates to technical devices designed to produce electrical energy during the oxidation of organic compounds by microorganisms, and can be used to create low-power current sources. The technical result includes increasing the efficiency of the device by generating electricity, in addition, by intensifying the disposal of waste components water. The technical result is achieved due to the fact that the bioelectrochemical device contains a partitioned tank in ide horizontally-oriented rectangular parallelepiped comprising anode and cathode chambers in which electrodes are placed. The anode chamber is sealed and provided with two holders located along the front and rear inner walls of the anode chamber, each of which is made of three horizontally oriented plates located one above the other and serving as guides for three trays, each with one anode electrode. The trays are made in the form of rectangular drawers and can be moved along the guides. Trays with electrodes and activated sludge containing a colony of bacteria are located in the anode chamber filled with a substrate in the form of organic wastewater compounds. In this case, the cathode chamber is equipped with a brass electrode and filled with distilled water. The ion-exchange membrane separating the anodic and cathodic parts of the chamber is equipped with rubber gaskets with holes that serve to control the volume of the open zone of the ion-exchange membrane. Finally, the anode chamber is made with three holes on the top cover, equipped with ball valves, one of which serves to fill the substrate, and the other two, located diagonally, serve one to be purged with nitrogen to ensure anaerobic conditions of the bacteria, and the other to discharge atmospheric air through the hydraulic seal. In this case, the side wall of the anode chamber is also provided with an opening with a ball valve, which serves to drain the substrate. Each electrode is equipped with a current collector connecting them with a cable to the box to generate the received electricity.

Description

Полезная модель относится к техническим устройствам, предназначенным для получения электрической энергии при окислении органических соединений микроорганизмами, и может быть использована для создания маломощных источников тока.The utility model relates to technical devices designed to produce electrical energy during the oxidation of organic compounds by microorganisms, and can be used to create low-power current sources.

Известен «Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов», 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.The well-known "Microbial fuel cell and assembly scheme of such elements", which works during the oxidation of organic substances using microorganisms, consisting of the anode and cathode chambers containing the anode and 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 the fact 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 adjoins directly to the ion-exchange membrane, while the anode chamber has an inlet pipe located in its lower part and an outlet pipe located in its upper part.

Патент РФ на ПМ №145009, МПК: H01M 8/16; публ. 10.09.2014 г.RF patent for ПМ №145009, IPC: H01M 8/16; publ. 09/10/2014

Известен «Биоэлектрохимический топливный 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, при этом анод и катод в соответствующих камерах выполнены из микроканальных пластин, к которым подведен токосниматель.Known "Bioelectrochemical fuel 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, while the anode and cathode in the respective chambers are made of microchannel plates to which the current collector is connected.

Патент на ПМ №162308, МПК: H01M 8/16; публ. 10.06.2016 г.Patent for PM No. 162308, IPC: H01M 8/16; publ. 06/10/2016

Известен «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, вставленных 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.Known "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 of 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 each other and t kosnimatel fixed rigidly welded metal bars, and all elements are made of copper coated with nickel, on top of which a layer of carbon ink.

Патент на ПМ №170868, МПК: H01M 8/16; публ. 11.05.2017 г.Patent for PM No. 170868, IPC: H01M 8/16; publ. 05/11/2017

Известен «Электродиализатор», включающий основные торцевые электроды, дополнительные внутренние электроды, разделяющие электродиализатор на секции, установленные между электродами чередующиеся разноименные ионоселективные мембраны, сепараторные прокладки, в которых выполнено не менее трех отверстий для трактов подачи исходного раствора и удаления продуктов обессоливания, патрубки ввода исходного раствора и вывода продуктов электродиализа, в центре каждой секции электродиализатора установлена водонепроницаемая перегородка из неэлектропроводного материала с двумя отверстиями для трактов.The well-known "Electrodialyzer", including the main end electrodes, additional internal electrodes, dividing the electrodialyzer into sections, alternating opposite ion-selective membranes installed between the electrodes, separator gaskets, in which at least three holes are made for the supply paths of the initial solution and removal of desalination products, the input branch pipes of the source solution and output products of electrodialysis, in the center of each section of the electrodialyzer installed waterproof partition from conductive material with two openings for the paths.

Патент на изобретение №2234359, МКИ: B01D 61/50, д. публ. 18.08.2004 г.Patent for invention No. 2234359, MKI: B01D 61/50, d. Publ. 08/18/2004

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Биоэлектрохимический реактор», 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 technical solution to the proposed invention is a "Bioelectrochemical reactor", using organic compounds of wastewater as fuel for electricity, 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 upper lid of the reactor so that each cathode zone is located between two plates of the anode of electrodes, characterized 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 the cathode electrodes 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 Electrode.

Патент на изобретение РФ №2496187, МПК: H01M 8/16; публ. 2013.10.20.Patent for the invention of the Russian Federation No. 2496187, IPC: H01M 8/16; publ. 2013.10.20.

К техническому результату относится повышение эффективности работы устройства за счет повышения генерации электроэнергии, кроме того, за счет интенсификации утилизации компонентов сточных вод.The technical result includes improving the efficiency of the device by increasing the generation of electricity, in addition, by intensifying the disposal of wastewater components.

Технический результат достигается благодаря тому, что биоэлектрохимическое устройство содержит секционированную емкость в виде горизонтально-ориентированного прямоугольного параллепипеда, включающего анодную и катодную камеры, в которых размещены электроды. Анодная камера выполнена герметичной и снабжена двумя держателями, расположенными вдоль передней и задней внутренних стенок анодной камеры, каждый из которых выполнен из трех горизонтально ориентированных пластин, расположенных друг над другом и служащих направляющими для трех лотков, каждый из которых снабжен одним анодным электродом. Лотки выполнены в виде прямоугольных ящичков и с возможностью перемещения по направляющим. Лотки с электродами и активным илом, содержащим колонию бактерий, расположены в анодной камере, заполненной субстратом в виде органических соединений сточных вод. При этом катодная камера снабжена латунным электродом и заполнена дистиллированной водой. Ионообменная мембрана, разделяющая анодную и катодную часть камеры, снабжена резиновыми прокладками с отверстиями, служащими для регулирования объема открытой зоны ионообменной мембраны. Наконец анодная камера выполнена с тремя отверстиями на верхней крышке, снабженными шаровыми кранами, одно из которых служит для заливки субстрата, а два других, расположенных диагонально, служат одно для продувки азотом для обеспечения анаэробных условий бактерий, а другое для вывода атмосферного воздуха через гидрозатвор. При этом боковая стенка анодной камеры также снабжена отверстием с шаровым краном, служащим для слива субстрата. Каждый электрод снабжен токоснимателем, соединяющим его с помощью кабеля с коробкой для генерации полученной электроэнергии.The technical result is achieved due to the fact that the bioelectrochemical device contains a partitioned container in the form of a horizontally oriented rectangular parallelepiped, including the anode and cathode chambers in which the electrodes are placed. The anode chamber is sealed and provided with two holders located along the front and rear inner walls of the anode chamber, each of which is made of three horizontally oriented plates located one above the other and serving as guides for three trays, each of which is equipped with one anode electrode. The trays are made in the form of rectangular drawers and can be moved along the guides. Trays with electrodes and activated sludge containing a colony of bacteria are located in the anode chamber filled with a substrate in the form of organic wastewater compounds. In this case, the cathode chamber is equipped with a brass electrode and filled with distilled water. The ion-exchange membrane separating the anodic and cathodic parts of the chamber is equipped with rubber gaskets with holes that serve to control the volume of the open zone of the ion-exchange membrane. Finally, the anode chamber is made with three holes on the top cover, equipped with ball valves, one of which serves to fill the substrate, and the other two, located diagonally, serve one to be purged with nitrogen to ensure anaerobic conditions of the bacteria, and the other to discharge atmospheric air through the hydraulic seal. In this case, the side wall of the anode chamber is also provided with an opening with a ball valve, which serves to drain the substrate. Each electrode is equipped with a current collector connecting it with a cable to the box to generate the received electricity.

Биоэлектрохимическое устройство поясняется чертежом на Фиг. 1, 2, 3.The bioelectrochemical device is illustrated by the drawing in FIG. 1, 2, 3.

Фиг. 1 - биоэлектрохимическое устройство - общая схема;FIG. 1 - bioelectrochemical device - General scheme;

Фиг. 2 - биоэлектрохимическое устройство (схема расположения отверстий на верхней крышке);FIG. 2 - bioelectrochemical device (arrangement of holes on the top cover);

Фиг. 3 – биоэлектрохимическое устройство (схема расположения отверстия для слива субстрата на боковой стенке).FIG. 3 - bioelectrochemical device (arrangement of holes for draining the substrate on the side wall).

Согласно Фиг. 1, 2 и 3 биоэлектрохимическое устройство содержит анодную камеру 1, катодную камеру 2, расположенную между камерами ионообменную мембрану 3, снабженную резиновыми прокладками 4 с отверстиями, служащими для регулирования объема открытой зоны ионообменной мембраны 3 и подложками для прокладок 5. Анодная камера 1 выполнена герметичной и снабжена двумя держателями 6, расположенными вдоль передней и задней внутренних стенок анодной камеры 1. Каждый держатель 6 выполнен из трех горизонтально ориентированных пластин, расположенных друг над другом и служащих направляющими для лотков 7 с анодными электродами 8, при этом три анодных 8 графитовых электрода устанавливают каждый в своем лотке 7, который выполнен в виде прямоугольного ящичка и с возможностью перемещения по направляющим 6, причем в лотки 7 с электродами 8 заливают активный ил, содержащий колонию бактерий. Катодная камера 2 снабжена электродом 9, выполненным из латуни, и заполнена дистиллированной водой. Анодная камера 1 выполнена с тремя отверстиями на верхней крышке, снабженными шаровыми кранами, одно из которых 10 служит для заливки субстрата в виде органических соединений сточных вод, а два других, расположенных диагонально, служат одно 11 для продувки азотом для обеспечения анаэробных условий бактерий, а другое для вывода атмосферного воздуха 12 через гидрозатвор, при этом боковая стенка анодной камеры также снабжена отверстием 13 с шаровым краном, служащим для слива субстрата.According to FIG. 1, 2 and 3, the bioelectrochemical device comprises an anode chamber 1, a cathode chamber 2 located between the chambers of an ion-exchange membrane 3, equipped with rubber gaskets 4 with holes for regulating the volume of the open zone of the ion-exchange membrane 3 and substrates for gaskets 5. The anode chamber 1 is sealed and is equipped with two holders 6 located along the front and rear inner walls of the anode chamber 1. Each holder 6 is made of three horizontally oriented plates located one above the other and serving as guides for trays 7 with anode electrodes 8, while three graphite anode 8 electrodes are each installed in their tray 7, which is made in the form of a rectangular box and can be moved along guides 6, and activated sludge is poured into the trays 7 with electrodes 8 colony of bacteria. The cathode chamber 2 is equipped with an electrode 9 made of brass and filled with distilled water. The anode chamber 1 is made with three holes on the top cover equipped with ball valves, one of which 10 serves to fill the substrate in the form of organic wastewater compounds, and the other two, located diagonally, serve one 11 for nitrogen purging to ensure anaerobic conditions of bacteria, and another for the withdrawal of atmospheric air 12 through the hydraulic lock, while the side wall of the anode chamber is also equipped with an opening 13 with a ball valve, which serves to drain the substrate.

Биоэлектрохимическое устройство работает следующим образом: в лотки 7 помещают электроды 8, затем в них помещают активный ил, содержащий колонию бактерий, и по направляющим 6 вставляют в анодную камеру 1, затем в анодную камеру через отверстие 10 с шаровым краном заливают субстрат в виде органических соединений сточных вод. Затем производится продувка азотом через отверстие 11. Отвод атмосферного воздуха с примесью азота осуществляется через гидрозатвор и отверстие 12.The bioelectrochemical device works as follows: electrodes 8 are placed in trays 7, then activated sludge containing a colony of bacteria is placed in them, and along the guides 6 they are inserted into the anode chamber 1, then the substrate in the form of organic compounds is poured into the anode chamber through a hole 10 with a ball valve Wastewater. Then, a nitrogen purge is made through the hole 11. The atmospheric air with nitrogen admixture is removed through the water trap and the hole 12.

После загрузки напряжение составило 0,2 В, а сила тока 0,8 мкА.After loading, the voltage was 0.2 V, and the current strength was 0.8 μA.

Спустя 4 дня напряжение выросло до 0,5 В, а сила тока до 1,3 мкА.After 4 days, the voltage increased to 0.5 V, and the current strength to 1.3 μA.

Предложенное в качестве полезной модели устройство позволяет повысить эффективность работы устройства за счет повышения генерации электроэнергии, кроме того, за счет интенсификации утилизации компонентов сточных вод.The device proposed as a utility model can improve the efficiency of the device by increasing the generation of electricity, in addition, by intensifying the disposal of wastewater components.

Claims

A bioelectrochemical device containing a partitioned container in the form of a horizontally oriented rectangular parallelepiped, including an anode and cathode chambers in which the electrodes are placed, while the anode and cathode chambers are separated by an ion-exchange membrane, and the anode chamber is provided with openings for the flow of the liquid phase, characterized in that the anode the chamber is sealed and provided with two holders located along the front and rear inner walls of the anode chamber, each of which is made of three x horizontally oriented plates located one above the other and serving as guides for three trays, each of which is equipped with one anode electrode, the trays are made in the form of rectangular boxes and can be moved along the guides, and the trays with electrodes and activated sludge containing a colony of bacteria are located in the anode chamber filled with a substrate in the form of organic wastewater compounds, while the cathode chamber is equipped with a brass electrode and filled with distilled water, in addition, ion exchange The membrane separating the anode and cathode parts of the chamber is equipped with rubber gaskets with holes used to regulate the volume of the open zone of the ion-exchange membrane; finally, the anode chamber is made with three holes on the top cover equipped with ball valves, one of which serves to fill the substrate, and two others, located diagonally, serve one to purge with nitrogen to ensure anaerobic conditions of bacteria, and the other to remove atmospheric air through a water seal, while the side wall of the anode chamber it is also equipped with an opening with a ball valve used to drain the substrate, in addition, each electrode is equipped with a current collector connecting it with a cable to the box to generate the received electricity.