RU226889U1 - Биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии - Google Patents
Биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии Download PDFInfo
- Publication number
- RU226889U1 RU226889U1 RU2023126608U RU2023126608U RU226889U1 RU 226889 U1 RU226889 U1 RU 226889U1 RU 2023126608 U RU2023126608 U RU 2023126608U RU 2023126608 U RU2023126608 U RU 2023126608U RU 226889 U1 RU226889 U1 RU 226889U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- microorganisms
- medium
- sis
- cathode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 21
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims abstract description 12
- 244000207740 Lemna minor Species 0.000 claims abstract description 11
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 8
- 241001646398 Pseudomonas chlororaphis Species 0.000 claims abstract description 7
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 240000009108 Chlorella vulgaris Species 0.000 description 2
- 235000007089 Chlorella vulgaris Nutrition 0.000 description 2
- 235000006439 Lemna minor Nutrition 0.000 description 2
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 244000055702 Amaranthus viridis Species 0.000 description 1
- 235000004135 Amaranthus viridis Nutrition 0.000 description 1
- 241000407878 Azolla pinnata Species 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000098338 Triticum aestivum Species 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003501 co-culture Methods 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 150000002988 phenazines Chemical class 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится к области возобновляемых источников электроэнергии и может быть использована для питания маломощных электронных устройств. Увеличение генерируемой мощности и снижение внутреннего сопротивления устройства является техническим результатом, который достигается за счет того, что биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений Lemna minor состоит из однокамерной ячейки с электродами, заполненной раствором питательной среды растений, на дне однокамерной ячейки размещен слой песка с установленным в нем анодом, на поверхность которого нанесены микроорганизмы Pseudomonas chlororaphis, в качестве раствора питательной среды применен раствор среды SIS, расположенный поверх слоя песка, растения Lemna minor расположены на поверхности водного раствора среды SIS, катод размещен внутри водного раствора среды SIS, при этом токоотвод, подсоединенный к аноду, выполнен из коррозионностойкого в биологических условиях материала с изоляционной оплеткой, а в качестве материала для изготовления анода и катода использован углеродный войлок. 3 ил., 1 табл.
Description
Полезная модель относится к области возобновляемых источников электроэнергии и может быть использована для питания маломощных электронных устройств.
Известная модель фотосинтетического микробного топливного элемента (фМТЭ), которая представляет собой двухкамерный биореактор, который разделен протонообменной мембраной на катодный и анодный отделения [Aiyer K. S. Synergistic effects in a microbial fuel cell between co-cultures and a photosynthetic alga Chlorella vulgaris improve performance //Heliyon. 2021. V.7. №.1. P. е05935]. Конструктивно данный фМТЭ состоит из двух отделений объемом по 150 см3, которые разделены протонообменной мембраной Nation 117, углеродную ткань используют в качестве катода и анода. В анодной камере добавлена ассоциация микроорганизмов Е. coli и P. aeruginosa, в катодную камеру - водоросли Chlorella vulgaris. Характерным признаком рассматриваемого технического решения является генерация напряжения в результате окисления органического субстрата микроорганизмами. Недостатком данной системы является сложность конструкции за счет использования протонообменной мембраны и разделения анодного и катодного пространства, отсутствие автономности функционирования из-за необходимости введения субстрата в анодную камеру.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является устройство для генерации электроэнергии на основе растений Lemna minor [Pamintuan K. R. S., Virata M. M. D., Yu M. F. С Simultaneous phytoremediation of Cu2+ and bioelectricity generation in a plant-microbial fuel cell assembly growing Azolla pinnata and Lemna minor //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - IOP Publishing, 2019. V.344. №.1. P. 012021.]. Конструктивно устройство состоит из однокамерной ячейки, изготовленной из полимерного материала. Ячейка заполнена питательным раствором, на поверхности которого размещены анод и катод, изготовленные из углеродного волокна размером 12,7 х 5 см, разделенные сепаратором для предотвращения короткого замыкания. На поверхности анода расположены растения Lemna minor. В качестве токоотводов используется медный провод. Недостатками данного устройства являются:
сложность конструкции, в частности наличие сепаратора для катода, необходимого для предотвращения короткого замыкания;
низкая мощность устройства за счет использования растения Lemna minor на аноде при выработке электроэнергии;
высокое внутреннее сопротивление.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение технических характеристик растительного микробного топливного элемента, в частности увеличение удельной мощности устройства.
Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик за счет увеличения генерации напряжения и снижения внутреннего сопротивления системы.
Техническая задача решается за счет того, что в биохимическом топливном элементе для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений, состоящем из однокамерной ячейки из полимерного материала, заполненной водным раствором питательной среды, в которую погружены анод и катод, изготовленные из углеродного волокна, токоотводы, катод и анод изготовлены из углеродного войлока, на поверхность анода нанесены микроорганизмы Pseudomonas chlororaphis, при этом анод размещен на дне однокамерной ячейки в слое песка, в качестве питательного раствора применен водный раствор среды SIS, расположенный поверх слоя песка, растения Lemna minor расположены на поверхности водного раствора среды SIS, при этом токоотвод, присоединенный к аноду, выполнен из титановой проволоки с изоляционной оплеткой.
Увеличение генерации напряжения связано с использованием микроорганизмов Pseudomonas chlororaphis, которые продуцируют феназины, являющиеся медиаторами электронного транспорта. Кроме того, микроорганизмы способны образовывать биопленки на поверхности различных материалов, что способствует их закреплению на аноде и использование его в качестве акцептора электронов [Arulmani S.R.B. et at. Sustainable bioelectricity production from Amaranthus viridis and Triticum aestivum mediated plant microbial fuel cells with efficient electrogenic bacteria selections //Process Biochemistry. 2021. V. 107. P. 27-37].
Углеродный войлок является перспективным материалом для изготовления электродов. [Mahmoud М., El-Khatib K. М. Three-dimensional graphitic mesoporous carbon-doped carbon felt bioanodes enables high electric current production in microbial fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. 2020. V. 45. №. 56. P. 32413-32422.]. Благодаря своей высокой пористости, площади поверхности, механической стабильности и хорошей электропроводимости данный материал обеспечивает эффективную адгезию и функционирование микроорганизмов на поверхности анода.
На фиг. 1 представлена схема биохимического топливного элемента для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений, а на фиг. 2 - кривая зависимости напряжения от плотности тока, фиг. 3 - кривая зависимости удельной мощности от плотности тока, полученные в ходе проведения эксперимента на лабораторном образце биохимического топливного элемента для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений.
Биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений содержит однокамерную ячейку 1 из нетоксичного полимерного материала, на дне которой расположен слой песка 4, который выступает в качестве почвенного субстрата, с установленным в нем анодом 2, на поверхность которого нанесены микроорганизмы Pseudomonas chlororaphis 3. Поверх слоя песка 4 последовательно одним над другим расположены: водный раствор среды SIS 5 и растения Lemna minor 6. В водном растворе среды SIS 5 размещен катод 7. Анод 2 подключается к внешнему потребителю в системе с помощью токоотвода 8. Анод 2 и катод 7 изготовлены из углеродного войлока, а токоотвод 8 изготовлен из коррозионностойкого в биологических условиях материала, например, титановой проволоки, с изоляционной оплеткой.
Принцип работы биохимического топливного элемента на основе микроорганизмов и растений основан на наличии и изменении со временем разности окислительно-восстановительных потенциалов на аноде 2 и катоде 7. При окислении ризоотложений растений Lemna minor микроорганизмами Pseudomonas chlororaphis выделяются электроны, которые поступают на анод, расположенный в толще песка. Под действием разности окислительно-восстановительных потенциалов по внешней цепи электроны из анодного пространства перемещаются к катоду, где соединяются с мигрировавшими протонами и кислородом, образуя при этом воду, в результате чего регистрируем напряжение и ток с помощью мультиметра.
В лабораторных условиях изготовлен опытный образец биохимического топливного элемента для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений.
Для изготовления ячеек использовали пластмассовый контейнер из полиэтилентерифталата (ПЭТФ) объемом 1 дм3, в который был добавлен стерильный песок в качестве почвенного субстрата, на дно ячейки погружали анод с нанесенными на него микроорганизмами в количестве 250 мг сырой биомассы на электрод, геометрическая площадь которого составила 50 см2. В качестве токоотвода использовали проволоку из титана. Затем анод засыпали песком объемом 500 см3, устанавливали катод и заливали систему водным раствором среды SIS объемом 500 см3.
Измерения напряжения ячейки проводились с помощью мультиметра, мощность и внутреннее сопротивление ячейки определяли с помощью метода внешнего сопротивления. После установления стабильного потенциала разомкнутой цепи по поляризационным кривым, полученным с использованием метода внешнего сопротивления, определяли внутреннее сопротивление системы и удельную мощность. Сравнения характеристик заявляемого устройства с прототипом представлены в таблице.
Таким образом, применение предлагаемого биохимического топливного элемента для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений позволяет увеличить генерируемое напряжение за счет применения растений Lemna minor и микроорганизмов Pseudomonas chlororaphis.
Claims (1)
- Биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии на основе микроорганизмов и растений, состоящий из однокамерной ячейки из полимерного материала, заполненной водным раствором питательной среды, в которую погружены анод и катод, изготовленные из углеродного волокна, токоотводы, отличающийся тем, что катод и анод изготовлены из углеродного войлока, на поверхность анода нанесены микроорганизмы Pseudomonas chlororaphis, при этом анод размещен на дне однокамерной ячейки в слое песка, в качестве питательного раствора применен водный раствор среды SIS, расположенный поверх слоя песка, растения Lemna minor расположены на поверхности водного раствора среды SIS, при этом токоотвод, присоединенный к аноду, выполнен из титановой проволоки с изоляционной оплеткой.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU226889U1 true RU226889U1 (ru) | 2024-06-27 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103123977A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-05-29 | 浙江工商大学 | 一种同步脱氮除磷微生物燃料电池 |
| RU145009U1 (ru) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов |
| CN205231184U (zh) * | 2015-11-28 | 2016-05-11 | 成都九十度工业产品设计有限公司 | 一种基于2,6-二叔丁基吡啶介质的微生物燃料电池 |
| RU162308U1 (ru) * | 2015-09-29 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Биоэлектрохимический топливный элемент |
| RU175765U1 (ru) * | 2017-07-14 | 2017-12-19 | Игорь Игоревич Сащенко | Биоэлектрохимическое устройство |
| RU209073U1 (ru) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | Микробный топливный элемент |
| RU2795937C2 (ru) * | 2021-11-13 | 2023-05-15 | Артур Сергеевич Гогов | Установка замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии и способ генерации энергии микроорганизмами |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103123977A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-05-29 | 浙江工商大学 | 一种同步脱氮除磷微生物燃料电池 |
| RU145009U1 (ru) * | 2013-12-30 | 2014-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") | Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов |
| RU162308U1 (ru) * | 2015-09-29 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Биоэлектрохимический топливный элемент |
| CN205231184U (zh) * | 2015-11-28 | 2016-05-11 | 成都九十度工业产品设计有限公司 | 一种基于2,6-二叔丁基吡啶介质的微生物燃料电池 |
| RU175765U1 (ru) * | 2017-07-14 | 2017-12-19 | Игорь Игоревич Сащенко | Биоэлектрохимическое устройство |
| RU209073U1 (ru) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | Микробный топливный элемент |
| RU2795937C2 (ru) * | 2021-11-13 | 2023-05-15 | Артур Сергеевич Гогов | Установка замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии и способ генерации энергии микроорганизмами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jafary et al. | Assessment of bioelectricity production in microbial fuel cells through series and parallel connections | |
| Tremouli et al. | Bioelectricity production from fermentable household waste extract using a single chamber microbial fuel cell | |
| Lai et al. | Improve 3D electrode materials performance on electricity generation from livestock wastewater in microbial fuel cell | |
| Ding et al. | Hybrid bio–organic interfaces with matchable nanoscale topography for durable high extracellular electron transfer activity | |
| CN104810530A (zh) | 一种石墨烯-铂纳米粒子-聚吡咯复合材料的制备方法及其应用 | |
| Rajesh et al. | Graphene oxide/polytetrafluoroethylene composite anode and chaetoceros pre-treated anodic inoculum enhancing performance of microbial fuel cell | |
| CN102544562A (zh) | 一种空气透过阴极双室微生物燃料电池 | |
| RU226889U1 (ru) | Биохимический топливный элемент для выработки электроэнергии | |
| Vishnevskaya et al. | Membraneless microbial biofuel cell for municipal waste water treatment | |
| Bataillou et al. | Bioelectricity production of PMFC using Lobelia Queen Cardinalis in individual and shared soil configurations | |
| Zamri et al. | Microbial fuel cell as new renewable energy for simultaneous waste bioremediation and energy recovery | |
| Mahmoud et al. | Waste to energy conversion utilizing nanostructured Algal‐based microbial fuel cells | |
| US10396387B2 (en) | Carbon nanotube based microbial fuel cells and methods for generating an electric current | |
| Chonde Sonal et al. | Bioelectricity production from wastewater using microbial fuel cell (MFC) | |
| Mardanpour et al. | Factors affecting the performance of single chamber microbial fuel cell using a novel configuration | |
| Prasad et al. | Energy harvesting from sediment microbial fuel cell using different electrodes | |
| CN108878941B (zh) | 一种微生物燃料电池 | |
| Ma et al. | A Carbon‐Neutral Photosynthetic Microbial Fuel Cell Powered by Microcystis aeruginosa | |
| CN102780021A (zh) | 一种a/o式无膜生物阴极微生物燃料电池 | |
| CN201877517U (zh) | 蓝藻微生物燃料电池 | |
| Simeon et al. | Evaluation of the electrical performance of a soil-type microbial fuel cell treated with a substrate at different electrode spacings | |
| Siagian et al. | The influence of biofilm formation on electricity production from tempe wastewater using tubular membraneless microbial fuel cell reactor | |
| Jaeel | Electricity production from dual chambers microbial fuel cell fed with chicken manure-wastewater | |
| Oji et al. | Fundamentals and field application of microbial fuel cells (MFCs) | |
| Pietrelli | Electrical valorization of MFC: application to monitoring |