RU2496187C1 - Bioelectrochemical reactor - Google Patents

Bioelectrochemical reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2496187C1
RU2496187C1 RU2012106421/07A RU2012106421A RU2496187C1 RU 2496187 C1 RU2496187 C1 RU 2496187C1 RU 2012106421/07 A RU2012106421/07 A RU 2012106421/07A RU 2012106421 A RU2012106421 A RU 2012106421A RU 2496187 C1 RU2496187 C1 RU 2496187C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
reactor
anode
electrodes
zone
Prior art date
Application number
RU2012106421/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012106421A (en
Inventor
Вячеслав Викторович Федорович
Анастасия Игоревна Трухина
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд"
Priority to RU2012106421/07A priority Critical patent/RU2496187C1/en
Publication of RU2012106421A publication Critical patent/RU2012106421A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2496187C1 publication Critical patent/RU2496187C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: reactor is designed as partitioned reservoir, it includes anode and cathode zones arranged in one reservoir and separated by ion exchange membrane, where cathode zones are introduced into anode zone through square holes in upper cover of reactor, so that each cathode zone is arranged between two plates of anode electrodes; sections are formed by flat partitions with holes arranged at minimum distance from upper cover of reactor for flow of liquid phase; anode electrodes are a bundle from thin carbon fibre reeled on frame in the form of parallelepiped with formation of four surfaces from fibre and four inner channels for passing of liquid phase, and cathode electrodes are air cathodes with controlled supply of minimum quantity of cathode electrolyte for generation of liquid film on the surface of cathode electrode.
EFFECT: increasing level of generated current, reducing element prime cost, reducing operation energy consumption of bioelectrochemical reactor.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области техники получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности к биоэлектрохимическому реактору. Известна конструкция безмедиаторного топливного элемента, состоящего из анаэробной анодной зоны, содержащей анодные электроды, выполненные как из графита в виде трубок, так и из графитового войлока, а также содержащего катодную зону с электродами. В различных вариантах предложенного изобретения в качестве разделителя анодной и катодной зон использовались как пористое стекло, так и полимерная ионообменная мембрана. В качестве биокатализатора использовались культуры микроорганизмов, осуществляющие восстановление ионов различных металлов, таких как железо, кобальт и другие. Основу изобретения составила способность этих микроорганизмов передавать заряд через клеточную мембрану непосредственно на анодный электрод, минуя стадию создания и продуцирования восстановительных эквивалентов в среду обитания /EP 0827229 A2, МКИ H01M 8/16, опубл. 04.03.98/.The invention relates to the field of technology for producing electricity in the biological wastewater treatment, in particular to a bioelectrochemical reactor. A known design of a mediator-free fuel cell consisting of an anaerobic anode zone containing anode electrodes made of graphite in the form of tubes, and of graphite felt, as well as containing a cathode zone with electrodes. In various embodiments of the invention, both porous glass and a polymer ion exchange membrane were used as a separator of the anode and cathode zones. As a biocatalyst, cultures of microorganisms were used that carry out the reduction of ions of various metals, such as iron, cobalt and others. The basis of the invention was the ability of these microorganisms to transfer charge through the cell membrane directly to the anode electrode, bypassing the stage of creating and producing reducing equivalents to the environment / EP 0827229 A2, MKI H01M 8/16, publ. 03/04/98 /.

Недостатком данного подхода является необходимость непосредственного контакта микроорганизма с поверхностью электрода при безмедиаторной передаче электрона на поверхность анода, что возможно либо в случае наличия биопленки на поверхности анода, либо при кратковременных контактах микроорганизма с поверхностью анода. Наличие биопленки на поверхности анода затрудняет транспорт топлива к микроорганизмам, расположенным непосредственно на поверхности анода, и приводит к снижению скорости генерации заряда этими микроорганизмами. В противоположном случае передачи заряда посредством кратковременного контакта свободной культуры с поверхностью электрода лимитирующей стадией переноса заряда является транспорт микроорганизмов к поверхности электрода.The disadvantage of this approach is the need for direct contact of the microorganism with the electrode surface during the mediatorless transfer of the electron to the surface of the anode, which is possible either in the case of a biofilm on the surface of the anode, or with short-term contacts of the microorganism with the surface of the anode. The presence of a biofilm on the surface of the anode makes it difficult to transport fuel to microorganisms located directly on the surface of the anode, and leads to a decrease in the rate of charge generation by these microorganisms. In the opposite case of charge transfer through short-term contact of a free culture with the electrode surface, the limiting stage of charge transfer is the transport of microorganisms to the electrode surface.

Следствием данного подхода является крайне низкие токи, полученные даже при использовании многоэлектродной системы, объединенной в батарею.The consequence of this approach is the extremely low currents obtained even when using a multi-electrode system integrated into a battery.

Известен безмембранный топливный элемент, не содержащий искусственные медиаторы, представляющий собой вертикальный цилиндрический реактор, в который снизу подается сточная вода, содержащая органические соединения, а очищенный после прохождения сквозь анаэробную биомассу реактора сток выводится через верхнюю часть аппарата. Реактор содержит в нижней части ближе к входу анодный электрод из пористого графита, на поверхность которого может быть нанесен металлический катализатор типа платины. Аэрируемый катодный электрод расположен в верхней части ближе к выходу из реактора, при этом расстояние между анодом и катодом может варьироваться / US 2005/0208341 A1, МКИ H01M 4/96; H01M 8/16, опубл. 22.09.05/.A membrane-free fuel cell is known that does not contain artificial mediators, which is a vertical cylindrical reactor, into which wastewater containing organic compounds is supplied from below, and the effluent purified after passing through the anaerobic biomass of the reactor is discharged through the upper part of the apparatus. The reactor contains in the lower part closer to the entrance an anode electrode of porous graphite, on the surface of which a metal catalyst such as platinum can be deposited. The aerated cathode electrode is located in the upper part closer to the exit from the reactor, while the distance between the anode and cathode can vary / US 2005/0208341 A1, MKI H01M 4/96; H01M 8/16, publ. 09/22/05 /.

Конструкция обладает рядом недостатков, снижающих величину генерируемого тока. Отсутствие разделительной мембраны между анодной и катодной зонами приводит к потерям электричества вследствие неэлектрохимического окисления в катодной зоне восстановительных эквивалентов, созданных микроорганизмами анодной зоны.The design has several disadvantages that reduce the amount of generated current. The absence of a separation membrane between the anode and cathode zones leads to electricity losses due to non-electrochemical oxidation in the cathode zone of the reduction equivalents created by the microorganisms of the anode zone.

Наличие единственной анодной пластины, различные участки которой находятся в среде с различным окислительно-восстановительным потенциалом, порождает разность потенциалов на самой проводящей пластине и приводит к потерям электричества вследствие возникновения внутренних токов.The presence of a single anode plate, various sections of which are in a medium with different redox potentials, creates a potential difference on the conductive plate itself and leads to loss of electricity due to the occurrence of internal currents.

При работе со слабобуферными стоками в конце анаэробной зоны, возможно повышение рН среды, приводящее к образованию метана, снижающее эффективность трансформации топлива в электричество.When working with weakly buffered effluents at the end of the anaerobic zone, an increase in the pH of the medium is possible, leading to the formation of methane, which reduces the efficiency of the transformation of fuel into electricity.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является биоэлектрохимический реактор, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества, включающий анодную и катодную зоны, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, в котором гранулы активированного угля используются в качестве анодных электродов, а графитовые пластины в качестве анодных коллекторов электричества (RU 2006134751, 10.04.2008, Федорович Вячеслав Викторович (RU), Калюжный Сергей Владимирович (RU), Сизов Александр Ильич (RU), Варфоломеев Сергей Дмитриевич (RU)).Closest to the proposed invention is a bioelectrochemical reactor using organic compounds of wastewater as a fuel for electricity production, including anode and cathode zones located in the same tank and separated by an ion-exchange membrane, in which activated carbon granules are used as anode electrodes, and graphite plates as anode collectors of electricity (RU 2006134751, 04/10/2008, Fedorovich Vyacheslav Viktorovich (RU), Kalyuzhny Sergey Vladimirovich (RU), Sizov Aleksandr r Ilyich (RU), Varfolomeev Sergey Dmitrievich (RU)).

Реактор выполнен в виде горизонтально расположенной секционированной емкости. Секционирование реактора осуществляется прямоугольными вертикально расположенными пластинами, представляющими собой анодные электроды, и расположенными между каждой парой анодов емкостями, содержащими катодные электроды. Ионообмен между катодной и анодной зонами осуществляется через ионообменные мембраны, находящиеся на боковых гранях катодной емкости. Катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора таким образом, что жидкостной поток проходит вдоль как анодных пластин, так и вдоль граней катодных зон, содержащих мембраны. Катодные электроды на поверхности содержат катализатор. Анодные электроды представляют собой графитовые пластины, на поверхности которых закреплены гранулы активированного угля, имеющие постоянный электрический контакт с пластиной. На гранулы активированного угля анодных электродов нанесены разные катализаторы в зависимости от положения электрода в анодной зоне реактора. Газовая фаза реактора, расположенная под верхней крышкой реактора, имеет контакт с жидкой фазой по всей длине течения жидкости в объеме реактора.The reactor is made in the form of a horizontally positioned partitioned vessel. The sectioning of the reactor is carried out by rectangular vertically arranged plates representing anode electrodes and capacitances containing cathode electrodes located between each pair of anodes. Ion exchange between the cathode and anode zones is carried out through ion-exchange membranes located on the side faces of the cathode capacitance. The cathode zones are introduced into the anode zone through rectangular openings in the upper lid of the reactor so that the liquid flow passes along both the anode plates and along the faces of the cathode zones containing the membranes. The cathode electrodes on the surface contain a catalyst. Anode electrodes are graphite plates, on the surface of which activated carbon granules are fixed, having constant electrical contact with the plate. Different catalysts are deposited on the granules of activated carbon of the anode electrodes, depending on the position of the electrode in the anode zone of the reactor. The gas phase of the reactor, located under the top cover of the reactor, has contact with the liquid phase along the entire length of the liquid flow in the reactor volume.

Недостатками данного технического решения является низкий уровень генерируемого тока, высокая себестоимость элемента, а также высокие эксплуатационные энергозатраты биоэлектрохимического реактора.The disadvantages of this technical solution is the low level of generated current, the high cost of the element, as well as the high operational energy costs of the bioelectrochemical reactor.

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является создание биоэлектрохимического реактора с повышенным уровнем очистки сточных вод, работающим в проточном режиме.The task to which the present invention is directed is the creation of a bioelectrochemical reactor with a high level of wastewater treatment, operating in flow mode.

Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является повышение уровня генерируемого тока, снижение себестоимости элемента, а также снижение эксплуатационных энергозатрат биоэлектрохимического реактора. Указанный технический результат достигается следующим образом. Биоэлектрохимический реактор, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества, выполнен 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, расположенные на минимальном расстоянии от верхней крышки реактора 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 technical result achieved in the invention is to increase the level of generated current, reduce the cost of the element, as well as reduce the operational energy consumption of the bioelectrochemical reactor. The specified technical result is achieved as follows. A bioelectrochemical reactor using organic wastewater compounds as fuel for generating electricity is 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 reactor lid so that each cathode zone is located between two plates of anode electrodes, characterized in that the sections are formed by flat partitions, with holding holes located at a minimum distance from the upper cover of the reactor 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 surfaces of fiber 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.

Вариантом биоэлектрохимического реактора является реактор, где одна из боковых сторон анодного электрода непосредственно примыкает к ионообменным мембранам, отделяющим их от катодных электродов катодного блока.A variant of a bioelectrochemical reactor is a reactor where one of the sides of the anode electrode is directly adjacent to the ion-exchange membranes that separate them from the cathode electrodes of the cathode block.

Другим вариантом биоэлектрохимического реактора является реактор, где катодный электролит, находящийся в ваннах расположенных на верхней крышке реактора, подается в зону реакции за счет капиллярного эффекта.Another option for a bioelectrochemical reactor is a reactor where the cathode electrolyte located in the baths located on the top cover of the reactor is supplied to the reaction zone due to the capillary effect.

Еще одним вариантом биоэлектрохимического реактора является реактор, где катодные электроды на поверхности содержат катализатор, полученный на основе термической обработки продуктов гидролиза гемоглабина крови животных. В отличие от прототипа секционирование топливного элемента осуществляется прямоугольными вертикально расположенными перегородками, не содержащими электродов, имеющими отверстия для перетока жидкой фазы из одной секции в другую. В отличие от прототипа данный тип секционирования позволяет существенно уменьшить вымывание биомассы из объема элемента.Another option for a bioelectrochemical reactor is a reactor, where the cathode electrodes on the surface contain a catalyst obtained by heat treatment of hydrolysis products of hemoglybin of the blood of animals. In contrast to the prototype, the sectioning of the fuel cell is carried out by rectangular vertically arranged partitions that do not contain electrodes, having openings for the flow of the liquid phase from one section to another. Unlike the prototype, this type of sectioning can significantly reduce the leaching of biomass from the volume of the element.

В отличие от прототипа 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. Данный вид анодов позволяет собирать разряды по всей ширине анодной зоны без существенного влияния на структуру канального течения жидкой фазы между реакторной перегородкой и плоскостью катодного элемента.Unlike the prototype, the anode electrodes are bundles of thin carbon fiber wound on a frame in the form of a parallelepiped with the formation of four surfaces of the fiber and four internal channels for the passage of the liquid phase. This type of anode allows you to collect discharges across the entire width of the anode zone without significantly affecting the structure of the channel flow of the liquid phase between the reactor wall and the plane of the cathode element.

В отличие от прототипа катоды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода, что в отличие от прототипа позволяет резко снизить затраты на аэрацию катодного электролита и в отличие от собственно воздушных катодов без смачивания поверхности поднять производительность по току.In contrast to the prototype, cathodes 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, which, in contrast to the prototype, can drastically reduce the cost of aeration of the cathode electrolyte and, in contrast to air cathodes proper, can increase productivity without wetting the surface current.

Капиллярная подача электролита осуществляется посредством графитированной ткани, имеющей механический контакт с гранулами катодного катализатора.The capillary supply of electrolyte is carried out by means of a graphitized fabric having mechanical contact with the granules of the cathode catalyst.

Катодные электроды на поверхности содержат катализатор для увеличения равновесного потенциала катода при прохождении электродной реакции The cathode electrodes on the surface contain a catalyst to increase the equilibrium potential of the cathode during the passage of the electrode reaction

O2+4H++4е-=2H2O, O 2 + 4H + + 4e - = 2H 2 O,

при этом, в отличие от ферроцианидов, понижение величины pH катодного электролита повышает потенциал катода, в особенности в условиях интенсивного транспорта протонов в катодную зону.in this case, unlike ferrocyanides, a decrease in the pH value of the cathode electrolyte increases the cathode potential, especially in conditions of intense proton transport to the cathode zone.

Катодные элементы расположены внутри реактора параллельно реакторным перегородкам и имеют зазор только с одной боковой стенкой реактора для течения жидкости. Высота катодного элемента больше высоты реактора. Это достигается тем, что в верхней крышке аппарата имеются прямоугольные отверстия для выхода верхней части катодного элемента из анодной зоны реактора.The cathode elements are located inside the reactor parallel to the reactor baffles and have a gap with only one side wall of the reactor for liquid flow. The height of the cathode element is greater than the height of the reactor. This is achieved by the fact that in the upper cover of the apparatus there are rectangular holes for the exit of the upper part of the cathode element from the anode zone of the reactor.

Изобретение поясняется следующими схемами и графиками.The invention is illustrated by the following diagrams and graphs.

Фиг.1. Схема внутреннего расположения базовых элементов конструкции и схема организации течения внутри реактора (вид сверху).Figure 1. Diagram of the internal arrangement of basic structural elements and a diagram of the organization of the flow inside the reactor (top view).

Фиг.2. Схема внутреннего расположения базовых элементов конструкции (вид сбоку).Figure 2. Scheme of the internal arrangement of basic structural elements (side view).

Фиг.3. Общая схема реактора.Figure 3. The general scheme of the reactor.

Фиг 4. Зависимость динамики изменения мощности во времени для трех анод-катодных пар, а также мощность, полученная путем параллельного соединения этих трех пар.Fig 4. The dependence of the dynamics of power over time for three anode-cathode pairs, as well as the power obtained by parallel connection of these three pairs.

На фиг.1 представлена схема внутреннего расположения базовых элементов конструкции и схема организации течения внутри реактора (вид сверху), на фиг.2 представлена схема внутреннего расположения базовых элементов конструкции (вид сбоку). Реактор состоит из секционированной емкости 1, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда, и содержит внутренние перегородки 2 для осуществления секционирования и организации зигзагоподобного течения от одной боковой стенки к противоположной боковой стенке.Figure 1 presents a diagram of the internal arrangement of the basic structural elements and a diagram of the organization of the flow inside the reactor (top view), figure 2 presents a diagram of the internal arrangement of the basic structural elements (side view). The reactor consists of a partitioned tank 1, made in the form of a rectangular parallelepiped, and contains internal partitions 2 for sectioning and organizing a zigzag-like flow from one side wall to the opposite side wall.

Внутри реактора установлены перпендикулярные днищу реактора анодные электроды 3, представляющие собой каркас в форме параллелепипеда, на ребра которого намотан собственно анодный электрод, представляющий собой жгут из карбонизированного волокна фиг.3. При этом намотка выполнена так, что образуются две пары плоскостей и две скрещивающиеся плоскости внутри каркаса. Таким образом, внутренний объем анодного электрода разбит на 4 объема для прохождения через него жидкой фазы.Inside the reactor, anode electrodes 3 perpendicular to the bottom of the reactor are installed, which are a parallelepiped-shaped frame, on the edges of which an anode electrode proper is wound, which is a carbonized fiber bundle of FIG. 3. In this case, the winding is made so that two pairs of planes and two intersecting planes are formed inside the frame. Thus, the internal volume of the anode electrode is divided into 4 volumes for the passage of the liquid phase through it.

Реактор содержит катодные контейнеры 4, выполненные в форме прямоугольных параллелепипедов и представляющие собой катодные зоны, которые введены в объем реактора через прямоугольные отверстия в верхней крышке аппарата с последующей герметизацией зазоров. Каждая боковая стенка катодного контейнера 4 содержит несколько рядов отверстий, в которые последовательно вставляются катодные электроды и графитированная ткань с катализатором.The reactor contains cathode containers 4 made in the form of rectangular parallelepipeds and representing cathode zones, which are introduced into the reactor volume through rectangular openings in the upper lid of the apparatus with subsequent sealing of gaps. Each side wall of the cathode container 4 contains several rows of holes into which cathode electrodes and graphite fabric with a catalyst are inserted in series.

Со стороны анодной зоны катодные электроды герметично закрыты ионообменными мембранами, предотвращающими транспорт жидкой фазы из анодной зоны в катодную зону. Контакт каждого электрода реактора с внешней электрической цепью осуществляется с помощью графитированной ткани. Верхняя часть катодного контейнера, выступающая над верхней крышкой аппарата открыта для проникновения кислорода воздуха к поверхности катодных электродов.From the side of the anode zone, the cathode electrodes are hermetically sealed by ion-exchange membranes, preventing the transport of the liquid phase from the anode zone to the cathode zone. The contact of each electrode of the reactor with an external electric circuit is carried out using graphite fabric. The upper part of the cathode container protruding above the top cover of the apparatus is open for the penetration of oxygen in the air to the surface of the cathode electrodes.

Аппарат имеет патрубок 5 для принудительной подачи очищаемой жидкой фазы, а также патрубок 6 для вывода из реактора очищенного стока. Патрубок 5 расположен у днища реактора, а патрубок 6 - на определенной высоте от днища реактора.The apparatus has a nozzle 5 for forcing the cleaned liquid phase, as well as a nozzle 6 for withdrawing purified effluent from the reactor. The pipe 5 is located at the bottom of the reactor, and the pipe 6 is at a certain height from the bottom of the reactor.

Реактор работает следующим образом.The reactor operates as follows.

Первоначально свободный объем анодной зоны реактора заполняется анаэробным илом, содержащим различные группы микроорганизмов, при этом высота жидкой фазы анодной зоны реактора определяется высотой расположения сливного патрубка 6. Через патрубок 5 на вход аппарата подается сточная вода, содержащая органические соединения (топливо), поддающиеся биологическому разложению ассоциацией микроорганизмов в процессе прохождения жидкой фазы в объеме реактора.Initially, the free volume of the anode zone of the reactor is filled with anaerobic sludge containing various groups of microorganisms, while the height of the liquid phase of the anode zone of the reactor is determined by the height of the discharge pipe 6. Through pipe 5, wastewater containing organic compounds (fuel) that are biodegradable is supplied to the inlet of the apparatus the association of microorganisms during the passage of the liquid phase in the reactor volume.

Жидкая фаза внутри реактора последовательно проходит через секции образованные вертикальными перегородками. Жидкость перетекает из каждой секции в следующую секцию через отверстия в реакторных перегородках.The liquid phase inside the reactor passes sequentially through sections formed by vertical partitions. Liquid flows from each section to the next section through openings in the reactor bulkheads.

Движение жидкости, показанное стрелками на фиг.1, организовано таким образом, что направление движения внутри каждой секции меняется на противоположное вблизи каждой боковой поверхности реактора за счет наличия зазоров как между катоднымиконтейнерами 4 и боковыми поверхностями аппарата, так и за счет наличия отверстий в реакторных перегородках. Очищенный сток удаляется из реактора через патрубок 6. Восстановительные эквиваленты, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, окисляясь, передают заряд на анодные электроды. При замыкании анодной и катодной системы через внешний проводник происходит транспорт ионов (преимущественно протонов) из анодной зоны в катодную, при этом минимизация расстояния между анодными и катодными пластинами данной конструкции позволяет минимизировать внутреннее сопротивление биологического источника тока.The fluid movement, shown by arrows in Fig. 1, is organized in such a way that the direction of movement inside each section is reversed near each side surface of the reactor due to the presence of gaps between the cathode containers 4 and the side surfaces of the apparatus, and due to the presence of holes in the reactor partitions . The purified effluent is removed from the reactor through pipe 6. The reducing equivalents formed during the life of the microorganisms, oxidizing, transfer the charge to the anode electrodes. When the anode and cathode systems are closed through an external conductor, ions (mainly protons) are transported from the anode to the cathode, while minimizing the distance between the anode and cathode plates of this design minimizes the internal resistance of the biological current source.

Изготовлен опытный образец заявленной конструкции, работа которого иллюстрируется примером.A prototype of the claimed design was made, the operation of which is illustrated by an example.

Пример.Example.

Определение динамики изменения мощности топливного элемента во времени для отдельных анод-катодных пар и их параллельного электрического объединенияDetermination of the dynamics of changes in the power of a fuel cell in time for individual anode-cathode pairs and their parallel electrical association

На фиг.4 приведены зависимости динамики изменения мощности во времени для трех анод-катодных пар, а также мощность, полученная путем параллельного соединения этих трех пар. Зависимости получены в режиме короткозамкнутой цепи. При этом при концентрации субстрата (послеспиртовой барды) на входе 40 гХПК/Л выходная концентрация колебалась во времени на уровне 20 гХПК/Л, что означает 50% эффективность удаления органики.Figure 4 shows the dynamics of power over time for three anode-cathode pairs, as well as the power obtained by parallel connection of these three pairs. Dependencies obtained in squirrel cage mode. At the same time, at a concentration of the substrate (post-alcohol stillage stillage) at the inlet of 40 gCKP / L, the output concentration fluctuated over time at the level of 20 gCKP / L, which means 50% organic removal efficiency.

Claims (4)

1. 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.1. A bioelectrochemical reactor using organic compounds of wastewater as fuel for electricity production, made in the form of a partitioned vessel, including the 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 the reactor cover so that each cathode zone is located between two plates of anode electrodes, characterized in that the sections are formed by flat partitions and 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 surfaces of the fiber and four internal channels for the passage of the liquid phase, and the cathode electrodes are air cathodes with controlled flow the minimum amount of cathode electrolyte to create a liquid film on the surface of the cathode electrode. 2. Биоэлектрохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что одна из боковых сторон анодного электрода непосредственно примыкает к ионообменным мембранам, отделяющим их от катодных электродов катодного блока.2. The bioelectrochemical reactor according to claim 1, characterized in that one of the sides of the anode electrode is directly adjacent to the ion-exchange membranes separating them from the cathode electrodes of the cathode block. 3. Биоэлектрохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что катодный электролит, находящийся в ваннах, расположенных па верхней крышке реактора, подается в зону реакции за счет капиллярного эффекта.3. The bioelectrochemical reactor according to claim 1, characterized in that the cathode electrolyte located in the baths located on the top cover of the reactor is supplied to the reaction zone due to the capillary effect. 4. Биоэлектрохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что катодные электроды на поверхности содержат катализатор, полученный на основе термической обработки продуктов гидролиза гемоглабина крови животных. 4. The bioelectrochemical reactor according to claim 1, characterized in that the cathode electrodes on the surface contain a catalyst obtained on the basis of heat treatment of products of hydrolysis of hemoglybin of animal blood.
RU2012106421/07A 2012-02-22 2012-02-22 Bioelectrochemical reactor RU2496187C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012106421/07A RU2496187C1 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Bioelectrochemical reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012106421/07A RU2496187C1 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Bioelectrochemical reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012106421A RU2012106421A (en) 2013-08-27
RU2496187C1 true RU2496187C1 (en) 2013-10-20

Family

ID=49163549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012106421/07A RU2496187C1 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Bioelectrochemical reactor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2496187C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168093U1 (en) * 2016-07-05 2017-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ИГУ") BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT
RU170868U1 (en) * 2016-12-26 2017-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ИГУ") BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT
RU2638565C1 (en) * 2014-01-15 2017-12-14 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel element
RU175765U1 (en) * 2017-07-14 2017-12-19 Игорь Игоревич Сащенко Bioelectrochemical device
RU2644472C1 (en) * 2016-12-12 2018-02-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" Flow electric activator of water
RU200864U1 (en) * 2020-06-22 2020-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Biological wastewater treatment device

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003045848A2 (en) * 2001-11-23 2003-06-05 Georg Fritzmeier Gmbh & Co. Microbiological energy source for operating a consumer
WO2006072112A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Washington University Upflow microbial fuel cell (umfc)
RU2308125C1 (en) * 2005-12-28 2007-10-10 Олег Николаевич Новиков Method for electrical energy generation
RU2006134751A (en) * 2006-10-03 2008-04-10 Вячеслав Викторович Федорович (RU) MULTI-ELECTRODE BIOELECTROCHEMICAL REACTOR FOR WASTE WATER TREATMENT WITH SIMULTANEOUS ELECTRICITY GENERATION
EA012085B1 (en) * 2003-03-01 2009-08-28 Дзе Юниверсити Корт Оф Дзе Юниверсити Оф Эбердин Photo-catalytic reactor
RU2374185C2 (en) * 2003-07-08 2009-11-27 Георг Фрицмайер Гмбх Энд Ко. Кг Bioreactor
EP0827229B1 (en) * 1996-08-29 2010-10-13 Korea Institute of Science and Technology Biofuel cell without electron transfer mediator
RU108217U1 (en) * 2011-04-20 2011-09-10 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT ON THE BASIS OF THE CLUCONOBACTER OXYDANS VKM V-1227
RU109758U1 (en) * 2011-04-20 2011-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT BASED ON THE GLUCONOBACTER CERINUS VKM V-1283 STRAIN
RU2442757C2 (en) * 2010-03-18 2012-02-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Way of organic waste reclamation

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0827229B1 (en) * 1996-08-29 2010-10-13 Korea Institute of Science and Technology Biofuel cell without electron transfer mediator
WO2003045848A2 (en) * 2001-11-23 2003-06-05 Georg Fritzmeier Gmbh & Co. Microbiological energy source for operating a consumer
EA012085B1 (en) * 2003-03-01 2009-08-28 Дзе Юниверсити Корт Оф Дзе Юниверсити Оф Эбердин Photo-catalytic reactor
RU2374185C2 (en) * 2003-07-08 2009-11-27 Георг Фрицмайер Гмбх Энд Ко. Кг Bioreactor
WO2006072112A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Washington University Upflow microbial fuel cell (umfc)
RU2308125C1 (en) * 2005-12-28 2007-10-10 Олег Николаевич Новиков Method for electrical energy generation
RU2006134751A (en) * 2006-10-03 2008-04-10 Вячеслав Викторович Федорович (RU) MULTI-ELECTRODE BIOELECTROCHEMICAL REACTOR FOR WASTE WATER TREATMENT WITH SIMULTANEOUS ELECTRICITY GENERATION
RU2442757C2 (en) * 2010-03-18 2012-02-20 Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Way of organic waste reclamation
RU108217U1 (en) * 2011-04-20 2011-09-10 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT ON THE BASIS OF THE CLUCONOBACTER OXYDANS VKM V-1227
RU109758U1 (en) * 2011-04-20 2011-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук MICROBIAL BIOFUEL ELEMENT BASED ON THE GLUCONOBACTER CERINUS VKM V-1283 STRAIN

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2638565C1 (en) * 2014-01-15 2017-12-14 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel element
RU168093U1 (en) * 2016-07-05 2017-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ИГУ") BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT
RU2644472C1 (en) * 2016-12-12 2018-02-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" Flow electric activator of water
RU170868U1 (en) * 2016-12-26 2017-05-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ИГУ") BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT
RU175765U1 (en) * 2017-07-14 2017-12-19 Игорь Игоревич Сащенко Bioelectrochemical device
RU200864U1 (en) * 2020-06-22 2020-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Biological wastewater treatment device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012106421A (en) 2013-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kadier et al. A comprehensive review of microbial electrolysis cells (MEC) reactor designs and configurations for sustainable hydrogen gas production
RU2496187C1 (en) Bioelectrochemical reactor
JP5164511B2 (en) Microbial fuel cell, diaphragm cassette for microbial fuel cell and waste water treatment apparatus
US7491453B2 (en) Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas
CN105390716B (en) A kind of superposing type microbiological fuel cell in-situ test system and its application
Gajda et al. Miniaturized ceramic-based microbial fuel cell for efficient power generation from urine and stack development
US7544429B2 (en) Membraneless and mediatorless microbial fuel cell
CN101853955B (en) Two-chambered alga microbial fuel cell and treatment wastewater method of low energy consumption thereof
Watson et al. Hydrogen production from continuous flow, microbial reverse-electrodialysis electrolysis cells treating fermentation wastewater
RU145009U1 (en) MICROBIAL FUEL ELEMENT AND ASSEMBLY DIAGRAM FOR SUCH ELEMENTS
WO2010044145A1 (en) Microbial fuel cell and membrane cassette for microbial fuel cells
CN105355950B (en) A kind of macro-organism cathode microbial fuel cell stack device
KR101020788B1 (en) Surface floating cathode microbial fuel cell with horizontal thin film flow
WO2008059331A2 (en) Bioelectrochemical reactor
CN103518282B (en) Microbiological fuel cell
CN104466216B (en) A kind of storehouse deflector type microbiological fuel cell and use it to process waste water method of realizing zero power consumption
RU153593U1 (en) BIOELECTROCHEMICAL REACTOR
CN110228845B (en) Alternating-current and plug-flow type bioelectrochemical system
KR101040185B1 (en) Microbial fuel cell unit equipped with functional electrodes and microbial fuel cell prepared therewith
KR101359777B1 (en) Both ends opened vertical structure and bioelectrochemical cell with it
CN114275879B (en) Device and method for treating sewage by adopting light-transmitting conductive biocathode bacteria-algae bioelectrochemical system
US11584670B2 (en) Bio-trickling filter box device capable of purifying organic wastewater and generating electricity
CN214400167U (en) Sewage treatment device based on algae bacterium symbiosis electrochemical system
CN205429079U (en) Microorganism electrolytic bath device
KR20160067235A (en) Microbial Fuel Cell with air cathode perpendicular to separator

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210223