RU224435U1 - Проточный микробиологический топливный элемент - Google Patents

Проточный микробиологический топливный элемент Download PDF

Info

Publication number
RU224435U1
RU224435U1 RU2023102581U RU2023102581U RU224435U1 RU 224435 U1 RU224435 U1 RU 224435U1 RU 2023102581 U RU2023102581 U RU 2023102581U RU 2023102581 U RU2023102581 U RU 2023102581U RU 224435 U1 RU224435 U1 RU 224435U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
cathode
electrode
pmfc
space
Prior art date
Application number
RU2023102581U
Other languages
English (en)
Inventor
Александра Геннадьевна Иванова
Александр Сергеевич Галушко
Иннокентий Алексеевич Красин
Ольга Сергеевна Лезова
Надежда Николаевна Губанова
Гаянэ Геннадиевна Панова
Ольга Алексеевна Шилова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU224435U1 publication Critical patent/RU224435U1/ru

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к области материаловедения, микробиологии, биоэнергетики, электрохимии и представляет собой электробиохимическую систему, вырабатывающую электрическую энергию с помощью микроорганизмов и электроактивных электродных материалов. Проточный микробиологический топливный элемент (ПМТЭ), включающий двухкамерную ячейку, разделенную протонпроводящей мембраной, с анодным пространством, включающим анод и патрубки для входа и выхода инертного газа и питательной среды с электрогенными микроорганизмами Shewanella oneidensis, находящимися постоянно в анаэробных условиях, и с аэрируемым через патрубки катодным пространством, содержащим катод и электролит. В заявленном ПМТЭ анод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена электроактивная паста на основе диоксида марганца MnO2, кроме того, в анодном пространстве размещены вспомогательный платиновый электрод и серебряный электрод сравнения, которые вместе с анодом образуют трехэлектродную систему, кроме того, катод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена электроактивная паста на основе биметаллических частиц AgPd, при этом катод погружен в раствор электролита с катализатором восстановления кислорода - 5 мМ K3[Fe(CN)6]. Обеспечивается повышение эффективности работы устройства за счет увеличения плотности тока, времени беспрерывной работы и выходной мощности ПМТЭ.

Description

Полезная модель относится к области материаловедения, микробиологии, биоэнергетики, электрохимии и представляет собой электробиохимическую систему, вырабатывающую электрическую энергию с помощью микроорганизмов и электроактивных электродных материалов.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен биоэлектрохимический топливный элемент (патент РФ №109758), содержащий разделенные между собой посредством протонообменной мембраны две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод - анод, 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.
Известен биоэлектрохимический топливный элемент (патент №108217), который отличается использованием штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1227.
В данных устройствах максимальная мощность (условная максимальная мощность), рассчитанная по циклической вольтамперограмме (ЦВА) для анолита (патент №109758) при скорости развертки напряжения 10 мВ/с составляет 1.8 мкВт. Недостатками данных устройств является отсутствие у них проточной системы и катализатора восстановления кислорода. Материал анода и катода - графит без электроактивной пасты. Трехэлектродная система не используется. По показателям вырабатываемого тока - недостаточная эффективность работы устройства.
Известен биоэлектрохимический топливный элемент (патент РФ №162308), который выполнен 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 кислорода до воды. Основным недостатком этой модели топливного элемента является сложность конструкции и отсутствие проточной и трехэлектродной системы анодного пространства.
Известен проточный микробиологический топливный элемент (ПМТЭ) (патент US 8415037), который состоит из анодного отсека с анодом и анодным биокатализатором и катодного отсека с катодом и катодным биокатализатором. В качестве анодного и катодного биокатализаторов используются различные микробиологические штаммы - чистые культуры, в том числе штамм MR-1 Shewanella oneidensis, и консорциумы на их основе. Протонпроводящая мембрана может разделять анодный и катодный отсеки. Анод и катод представляют собой графитовый войлок. Анодный биокатализатор способен катализировать окисление органического вещества, а катодный биокатализатор способен катализировать восстановление неорганического вещества, например, Cr(IV) в Cr(III). Вырабатываемый ток одного из типов ПМТЭ с Shewanella oneidensis, используемой в качестве только анодного биокатализатора на графитовом аноде, достигает микронных значений, после 100 часов и более работы ТЭ.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая эффективность работы топливного элемента.
Задачей полезной модели является создание повышения эффективности работы устройства за счет увеличения плотности тока и времени его беспрерывной работы, и, как следствие, увеличение выходной мощности ПМТЭ.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели проточный микробиологический топливный элемент, включающий двухкамерную ячейку, разделенную протонпроводящей мембраной, с анондным пространством, включающим анод и патрубки для входа и выхода инертного газа и питательной среды с электрогенными микроорганизмами Shewanella oneidensis, находящимися постоянно в анаэробных условиях, и с аэрируемым через патрубки катодным пространством, содержащим катод и электролит, характеризуется тем, что анод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена электроактивная паста на основе диоксида марганца MnO2, кроме того, в анодном пространстве размещены вспомогательный платиновый электрод и серебряный электрод сравнения, которые вместе с анодом образуют трехэлектродную систему, кроме того, катод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена жлектроактивная паста на основе биметаллических частиц AgPd, при этом катод погружен в раствор электролита с катализатором восстановления кислорода - 5 мМ K3[Fe(CN)6].
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в обеспечении повышения эффективности работы устройства за счет увеличения плотности тока и времени его беспрерывной работы, и, как следствие, увеличение выходной мощности ПМТЭ.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором
на фиг.1 представлена схема заявленного ПМТЭ, где в анодном пространстве находится питательная среда с электрогенной бактерией штамма MR-1 Shewanella oneidensis, а в катодном пространстве - раствор KNO3 (электролит), содержащий 5 мМ K3[Fe(CN)6];
на фиг. 2 - фотографии ПМТЭ в вертикальном (а) и в горизонтальное (б) положениях;
на фиг. 3 - циклическая вольтамперограмма (ЦВА) анода (стальная сетка) ПМТЭ в питательной среде с электрогенной бактерией Shewanella oneidensis, измеренной на 5 день испытаний, при скорости развертки напряжения 10 мВ/с;
на фиг. 4 - график производительности ПМТЭ с анодным биокатализатором окисления органического субстрата Shewanella oneidensis и катодным катализатором восстановления кислорода K3[Fe(CN)6].
На чертежах позициями обозначены: 1 - компрессор; 2 - катодное пространство; 3 - электролит с 5 мМ K3[Fe(CN)6]; 4 - катод (стальная сетка); 5 - анод (стальная сетка); 6 - анодное пространство с питательной средой, содержащей анаэробные бактерии Shewanella oneidensis; 7 - платиновый электрод; 8 - серебряный электрод; 9 - протонпроводящая мембрана; 10 - перистальтический насос; 11 - питательная среда с анаэробными бактериями Shewanella oneidensis; 12 - эластичная емкость с инертным газом (азот) и питательной средой; 13 - измерительный прибор; 14 - вспомогательные вентили.
Цилиндрическая конструкция заявленного ПМТЭ представляет собой двухкамерную ячейку с протонпроводящей мембраной. Материал корпуса устройства - стеклянный, а функциональные элементы - электроды (анод и катод) - хромированные стальные сетки. Анодное пространство 6 двухкамерной ячейки, содержит трехэлектродную систему: собственно, сам рабочий электрод - анод 5, вспомогательный электрод - платиновая проволока 7 и электрод сравнения - серебряная проволока 8.
Такая трехэлектродная система необходима для контроля роста и развития микроорганизмов.
В катодном пространстве 2 рядом с катодом 4 расположен барботер, через который подается воздух с помощью компрессора 1. Катодное пространство заполнено на 2/3 раствором, содержащим электролит и катализатор восстановления кислорода - 5 мМ K3[Fe(CN)6] (3). Анодное и катодное пространство разделено протонпроводящей мембраной 9. Циркуляция питательной среды с электрогенной бактерией штамма MR-1 Shewanella oneidensis 11 и ее отвод обеспечивается за счет перистальтического насоса 10 с четырьмя автодозирующими помпами. Исходная питательная среда находится в эластичной емкости, газовая фаза которой заполнена инертным газом (N2) 12. Для измерения вольт-амперных характеристик ПМТЭ используется потенциостат-гальваностат 13. Дополнительные вентили 14 позволяют регулировать подачу и отвод питательной/отработанной среды и воздуха.
Заявленный ПМТЭ работает следующим образом.
В анодном пространстве Shewanella oneidensis в анаэробных условиях как катализатор процесса окисления, преобразуют органическое вещество (например, ацетат натрия), входящее в состав регулярно обновляющейся через проточную систему питательной среды. При этом образовавшиеся электроны переходят на анод, во внешнюю цепь и двигаются к катоду, тогда как ионы водорода, образовавшиеся в результате окисления органического вещества, проходят через протонпроводящую мембрану и попадают в катодное пространство. В катодной камере с участием пришедших электронов, катализатора и ионов водорода происходит восстановление кислорода воздуха, подающегося с помощью компрессора через патрубки, и образование молекул воды:
O2+4е-+4Н+→2H2O.
Контроль роста и развития микроорганизмов осуществляется с помощью трехэлектродной системы анодного пространства, подключенной к потенциостату-гальваностату. Также с помощью него измеряются вольтамперные характеристики ПМТЭ. Поверхность анода и катода может быть покрыта электроактивным материалом.
Максимальная мощность, рассчитанная по ЦВА для предлагаемой модели с анодом в виде стальной сетки и электрогенной бактерией Shewanella oneidensis составляет более 950 мкВт.
Вырабатываемый ток ПМТЭ с Shewanella oneidensis достигает микронных значений, после 100 часов и более работы ТЭ с электродами (анодом и катодом) из стальной сетки, фиг. 4.
Приведенные ниже примеры подтверждают возможность достижения поставленной задачи.
ПМТЭ - двухкамерная ячейка, разделенная протонпроводящей мембраной Нафион-115 с (1) анодным пространством, содержащим трехэлектродную систему (анод - стальная сетка, вспомогательный электрод - платиновая проволока и электрод сравнения - серебряная проволока) и патрубки для входа и выхода инертного газа (азот)/питательной среды с Shewanella oneidensis; с (2) аэрируемым через патрубки катодным пространством, содержащим катод - стальная сетка и электролит 1 М KNO3 с катализатором восстановления кислорода 5 мМ K3[Fe(CN)6].
Поверхность стальных электродов может быть покрыта электроактивным материалом для увеличения их электрохимической активности: анод - электроактивной пастой на основе диоксида марганца [Ivanova A.G., 2018], а катод - электроактивной пастой на основе биметаллических наночастиц AgPd [Gubanova N.N., 2023]. В присутствие электроактивных материалов производительность (плотность тока) ПМТЭ может быть повышена в 10-100 раз.
В качестве питательной среды использовалась модифицированная среда Ворошиловой-Диановой [Ворошилова, Дианова, 1952] следующего состава (г/л): NH4Cl - 1, K2HPO4 × 3H2O - 1,31, KH2PO4 - 1, MgSO4 × 7H2O - 0,2, CaCl2 - 0,02, NaCl - 1. В качестве основного донора электронов использовали сукцинат и ацетат натрия, которые добавляли в количестве 20 и 10 мМ, соответственно. Дополнительно, в среду вносили дрожжевой экстракт (0,1 г/л) и антрахинондисульфонат (1 мМ).
Литература
Ivanova A.G., Masalovich M.S., Zagrebelnyy O.A., Kruchinina I.Yu., Shilova O.A. Synthesis, composition, surface morphology and electrochemical properties of MnO2@C composite material for an electrode pseudocapacitor Problems of modern science and education 2018. №13(133), P. 15-18, doi 10.20861/2304-2338-2018-133-004
Gubanova N.N., Ivanova A.G., Matveev V.A., Ivankova E.M., Shilova O.A., Kruchinina I.YU. Water-alcohol synthesis of catalytically active palladium nanoparticles for electrode materials used in fuel cells for the mining industry // IEEE, 2023
Ворошилова А.А., Дианова Е.В. Окисляющие нефть бактерии - показатели интенсивности биологического окисления нефти в природных условиях // Микробиология, 1952. - Т. 21. - №4. - С. 408-415.
Myers, C.R., Nealson, K.Н. Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as the sole electron accepter. Science 1988, 240, 1319-1321
Nealson, K.H., Saffarini, D. Iron and manganese in anaerobic respiration: environmental significance, physiology, and regulation. Annu. Rev. Microbiol. 1994, 48, 311-343
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в обеспечении повышения эффективности работы устройства за счет увеличения плотности тока и времени его беспрерывной работы, и как следствие этого выходной мощности ПМТЭ.
Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.

Claims (1)

  1. Проточный микробиологический топливный элемент, включающий двухкамерную ячейку, разделенную протонпроводящей мембраной, с анодным пространством, включающим анод и патрубки для входа и выхода инертного газа и питательной среды с электрогенными микроорганизмами Shewanella oneidensis, находящимися постоянно в анаэробных условиях, и с аэрируемым через патрубки катодным пространством, содержащим катод и электролит, отличающийся тем, что анод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена электроактивная паста на основе диоксида марганца MnO2, кроме того, в анодном пространстве размещены вспомогательный платиновый электрод и серебряный электрод сравнения, который вместе с анодом образуют трехэлектродную систему, кроме того, катод выполнен в виде стальной сетки, на поверхность которой нанесена электроактивная паста на основе биметаллических частиц AgPd, при этом катод погружен в раствор электролита с катализатором восстановления кислорода - 5 мМ K3[Fe(CN)6].
RU2023102581U 2023-02-03 Проточный микробиологический топливный элемент RU224435U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU224435U1 true RU224435U1 (ru) 2024-03-22

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU109758U1 (ru) * 2011-04-20 2011-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук Микробный биотопливный элемент на основе штамма gluconobacter cerinus вкм в-1283
US8415037B2 (en) * 2007-05-02 2013-04-09 University Of Southern California Microbial fuel cells
KR101352551B1 (ko) * 2011-06-10 2014-02-17 광주과학기술원 미생물 연료전지 모듈 시스템
US10230122B2 (en) * 2015-07-09 2019-03-12 Srm University Microbrial fuel cells
CN112382780A (zh) * 2020-10-20 2021-02-19 衡阳师范学院 微生物燃料电池及其用途
RU209073U1 (ru) * 2021-06-16 2022-02-01 Николай Владимирович Масейкин Микробный топливный элемент

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8415037B2 (en) * 2007-05-02 2013-04-09 University Of Southern California Microbial fuel cells
RU109758U1 (ru) * 2011-04-20 2011-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук Микробный биотопливный элемент на основе штамма gluconobacter cerinus вкм в-1283
KR101352551B1 (ko) * 2011-06-10 2014-02-17 광주과학기술원 미생물 연료전지 모듈 시스템
US10230122B2 (en) * 2015-07-09 2019-03-12 Srm University Microbrial fuel cells
CN112382780A (zh) * 2020-10-20 2021-02-19 衡阳师范学院 微生物燃料电池及其用途
RU209073U1 (ru) * 2021-06-16 2022-02-01 Николай Владимирович Масейкин Микробный топливный элемент

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cheng et al. Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathode microbial fuel cells
US7491453B2 (en) Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas
Zhang et al. Modelling of a microbial fuel cell process
CN100499240C (zh) 以气体扩散电极为阴极的单室微生物燃料电池
Fu et al. PB/PANI-modified electrode used as a novel oxygen reduction cathode in microbial fuel cell
CN101383425A (zh) 一种两段式微生物燃料电池
Erable et al. First air-tolerant effective stainless steel microbial anode obtained from a natural marine biofilm
Rahimnejad et al. Microbial fuel cell (MFC): an innovative technology for wastewater treatment and power generation
CN210656331U (zh) 一种耦合微生物燃料电池和电芬顿系统的污水处理装置
CN103359824A (zh) 一种应用铁矿石催化生物电芬顿处理染料废水的方法
Zhuang et al. Development of Enterobacter aerogenes fuel cells: from in situ biohydrogen oxidization to direct electroactive biofilm
Jiang Combination of microbial fuel cells with microalgae cultivation for bioelectricity generation and domestic wastewater treatment
Mardiana et al. Yeast fuel cell: Application for desalination
CN201278356Y (zh) 一种两段式微生物燃料电池
Sun et al. Influence of Initial pH on Anodic Biofilm Formation in Single-Chambered Microbial Electrolysis Cells.
RU224435U1 (ru) Проточный микробиологический топливный элемент
CN108520963A (zh) 环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法
US3226262A (en) Bio-electrode assembly for generating electricity
CN109728333B (zh) 一种分区式圆筒微生物燃料电池
CN111370725A (zh) 一种基于生物动态膜的mfc系统及强化产电方法
Ye et al. High yield hydrogen production in a single-chamber membrane-less microbial electrolysis cell
Cucu et al. MICROBIAL ELECTROLYSIS CELL: HYDROGEN PRODUCTION USING MICROBIAL CONSORTIA FROM ROMANIAN WATERS.
CN111268862B (zh) 一种利用蒽醌类中药植物内含物作为氧化还原中介体强化mfc产电的方法
CN108878941B (zh) 一种微生物燃料电池
Yu et al. Treatment of sewage and synchronous electricity generation characteristics by microbial fuel cell