一種脫氮除硫微生物燃料電池的製作方法
2023-10-07 23:26:49
專利名稱：一種脫氮除硫微生物燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物燃料電池，尤其是一種脫氮除硫微生物燃料電池。
背景技術：
微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是以微生物作為催化劑，將化學能直接轉化成電能的裝置。它不再單純將廢水的汙染物質作為處理對象，而是看作是一種能量來源。用MFC處理工藝，不僅淨化了汙水，而且可以獲得額外的能量，此外，它還具有能量轉化率高，可在常溫、常壓下運行等優點。因此近年來，MFC處理工藝日益受到關注，成為環保領域的前沿課題和研究熱點，具有不可估量的發展潛力。其具體工作過程為陽極室內的微生物代謝基質，產生電子和質子。電子直接或間接(通過中介體)傳遞到陽極，再經由外電路到達陰極。質子則通過膜滲透到陰極室。在陰極室內，質子、電子和電子受體反應生成水。陰陽兩極之間存在電位差，從而產生可捕獲的電能。目前絕大多數微生物燃料電池以有機物為產電基質，產電微生物為兼性厭氧菌，電池構型通常分為雙室和單室兩類。這些微生物燃料電池存在以下缺點(1)在已發現的兼性厭氧產電菌中，除腐敗希瓦氏菌、鐵還原紅螺菌、地桿菌等幾種細菌外，其餘產電菌的電子傳遞效率很低，需要額外添加中性紅、2，6-蒽醌等電子中介體來強化電子傳遞，中介體大多有毒且價格較高；(2)產電基質為有機物，電導率低，電池內阻大，產電效率低，有時需要額外添加無機離子以增強其導電性；(3)運行方式以間歇運行為主，運行周期內閉路電壓變化較大，不能穩定輸出。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種脫氮除硫微生物燃料電池。本發明的生物燃料電池包括恆溫攪拌系統、反應系統和數據採集監測系統。恆溫攪拌系統包括恆溫磁力攪拌器和磁力攪拌子；
反應系統包括陽極反應室、陰極反應室和質子交換膜；所述的陽極反應室和陰極反應室均為一面開放、五面封閉的方形箱體，陽極反應室開放的一面與陰極反應室開放的一面對應，陽極反應室和陰極反應室開方面之間設有密封圈並通過法蘭連接，質子交換膜用密封圈固定在陽極反應室和陰極反應室之間；陽極反應室和陰極反應室設置有磁力攪拌子；
陽極反應室的一側設有陽極進水管和陽極出水管，陽極反應室內裝有產電基質，產電基質中浸有脫氮除硫微生物和附著脫氮除硫微生物的掛膜陽極，陽極反應室頂部設有陽極導線固定管、陽極取樣管和陽極參比電極固定管；
陰極反應室的一側設有陰極進水管和陰極出水管，陰極反應室內裝有陰極電解液，陰極電解液中浸有陰極，陰極反應室頂部設有陰極導線固定管、陰極取樣管和陰極參比電極固定管；
數據採集監測系統包括負載、數據採集器和電腦，負載兩端通過導線分別與掛膜陽極和陰極連接，數據採集器採集負載兩端的電信號，電腦與數據採集器連接，處理數據採集器採集的電信號。所述的產電基質為含有硫化物、硝酸鹽或亞硝酸鹽的廢水，pH值為7. 0 7. 5。所述的陽極反應室和陰極反應室的長寬高比均為1 2 :1 :1 3 ；陽極反應室內的產電基質體積為陽極反應室體積的2/3 3/4，產電基質內的脫氮除硫微生物體積為產電基質體積的1/3 1/5 ；陰極反應室內的陰極電解液體積為陰極反應室體積的2/3 3/4。所述的掛膜陽極和陰極的導電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈、石墨板中的一種， 掛膜陽極表面附著有脫氮除硫生物膜，掛膜陽極和陰極之間的距離為3 6cm，陽極反應室內的掛膜陽極的表面積與陽極反應室體積之比為9 40 m2:l m3，陰極反應室內的陰極的表面積與陰極反應室體積之比為9 40 m2:1 m3。
本發明以脫氮除硫微生物為產電微生物，無需添加電子中介體；以含有硫化物和硝酸鹽(或亞硝酸鹽)的廢水為產電基質，可以連續運行，無需外加曝氣裝置，無需投加電子中介體，既可同時去除硫化物和硝酸鹽(或亞硝酸鹽)，又能產生穩定的電能。本發明具有以下有益效果(1)利用脫氮除硫微生物進行廢水處理和生物產電， 可實現廢水汙染控制和電能生產同時進行；(2)產電基質為無機離子，電池內阻低，電池性能好，產電效率高；(3)運行方式為連續進出水，不僅便於運行和管理，而且可輸出穩定的電能。
圖1是本發明的結構示意圖。其中恆溫磁力攪拌器1、磁力攪拌子2、陽極進水管3、脫氮除硫微生物4、陽極出水管5、陽極反應室6、產電基質7、掛膜陽極8、陽極取樣口 9、陽極導線固定管10、陽極參比電極固定管11、導線12、密封圈13、負載14、質子交換膜15、陰極取樣管16、陰極導線固定管17、陰極參比電極固定管18、陰極19、陰極電解液20、陰極出水管21、陰極反應室22、陰極進水管23、數據採集器24、電腦25。
具體實施例方式如圖1所示，一種脫氮除硫微生物燃料電池包括恆溫攪拌系統、反應系統和數據採集監測系統。恆溫攪拌系統包括恆溫磁力攪拌器1和磁力攪拌子2。反應系統包括陽極反應室6、陰極反應室23和質子交換膜15，陽極反應室6和陰極反應室23均為一面開放、五面封閉的方形箱體，方形箱體的長寬高比均為1 2 :1 :1 3。陽極反應室6開放的一面與陰極反應室23開放的一面對應，陽極反應室23和陰極反應室6開方面之間設有密封圈13並通過法蘭連接，質子交換膜15用密封圈13固定在陽極反應室23和陰極反應室6之間；陽極反應室23和陰極反應室6設置有磁力攪拌子2。陽極反應室6的一側設有陽極進水管3和陽極出水管5。陽極反應室6內裝有產電基質7，產電基質7為含有硫化物、硝酸鹽或亞硝酸鹽的廢水，pH值為7. 0 7. 5，產電基質7體積為陽極反應室6體積的2/3 3/4。產電基質7中浸有脫氮除硫微生物4和附著脫氮除硫微生物的掛膜陽極8。脫氮除硫微生物4體積為產電基質7體積的1/3 1/5。掛膜陽極8的導電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈、石墨板中的一種，表面附著有脫氮除硫生物膜，掛膜陽極8的表面積與陽極反應室6體積之比為9 40 m2:l m3。陽極反應室6頂部設有陽極導線固定管10、陽極取樣管9和陽極參比電極固定管11。 陰極反應室22 —側設有陰極進水管23和陰極出水管21，陰極反應室23內裝有陰極電解液20，陰極電解液20體積為陰極反應室23體積的2/3 3/4。陰極電解液20中浸有陰極19，陰極19的導電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈、石墨板中的一種，陰極19的表面積與陰極反應室23體積之比為9 40 m2:l m3，陰極19與掛膜陽極8之間的距離為3 6cm。陰極反應室23頂部設有陰極導線固定管17、陰極取樣管16和陰極參比電極固定管 18。數據採集監測系統包括負載14、數據採集器24和電腦25，負載14兩端通過導線 12分別與掛膜陽極8和陰極19連接，數據採集器24採集負載14兩端的電信號，電腦25與數據採集器24連接，處理數據採集器24採集的電信號。工作時，開啟恆溫磁力攪拌器，帶動磁力攪拌子，使陽極反應室中脫氮除硫微生物與產電基質充分接觸，將陰極反應室中陰極電解液混合均勻。將含有硫化物、硝酸鹽或亞硝酸鹽的廢水從陽極進水管連續泵入陽極反應室內。在脫氮除硫微生物作用下，產電基質硫化物被氧化為單質硫，硝酸鹽(或亞硝酸鹽)被還原為氮氣，處理後廢水經陽極出水管排出。 將陰極電解液從陰極進水管泵入陰極反應室中，多餘陰極電解液從陰極出水管回流，陰極電解液可重複使用。在脫氮除硫過程中釋放的電子由掛膜陽極收集並通過外電路導線傳遞到陰極。反應系統產生的電信號被數據採集器收集，並傳輸到連線電腦中，通過電信號變化可同時監測反應系統的運行情況，便於過程及時調控。
權利要求
1.一種脫氮除硫微生物燃料電池，包括恆溫攪拌系統、反應系統和數據採集監測系統， 其特徵在於所述的恆溫攪拌系統包括恆溫磁力攪拌器和磁力攪拌子；所述的反應系統包括陽極反應室、陰極反應室和質子交換膜；所述的陽極反應室和陰極反應室均為一面開放、五面封閉的方形箱體，陽極反應室開放的一面與陰極反應室開放的一面對應，陽極反應室和陰極反應室開方面之間設有密封圈並通過法蘭連接，質子交換膜用密封圈固定在陽極反應室和陰極反應室之間；陽極反應室和陰極反應室設置有磁力攪拌子；陽極反應室的一側設有陽極進水管和陽極出水管，陽極反應室內裝有產電基質，產電基質中浸有脫氮除硫微生物和附著脫氮除硫微生物的掛膜陽極，陽極反應室頂部設有陽極導線固定管、陽極取樣管和陽極參比電極固定管；所述的產電基質為含有硫化物、硝酸鹽或亞硝酸鹽的廢水，pH值為7. O 7. 5 ；陰極反應室的一側設有陰極進水管和陰極出水管，陰極反應室內裝有陰極電解液，陰極電解液中浸有陰極，陰極反應室頂部設有陰極導線固定管、陰極取樣管和陰極參比電極固定管；所述的數據採集監測系統包括負載、數據採集器和電腦，負載兩端通過導線分別與掛膜陽極和陰極連接，數據採集器採集負載兩端的電信號，電腦與數據採集器連接，處理數據採集器採集的電信號。
2.如權利要求1所述的一種脫氮除硫微生物燃料電池，其特徵在於所述的陽極反應室和陰極反應室的長寬高比均為1 2 :1 :1 3。
3.如權利要求1所述的一種脫氮除硫微生物燃料電池，其特徵在於陽極反應室內的產電基質體積為陽極反應室體積的2/3 3/4，產電基質內的脫氮除硫微生物體積為產電基質體積的1/3 1/5 ；陰極反應室內的陰極電解液體積為陰極反應室體積的2/3 3/4。
4.如權利要求1所述的一種脫氮除硫微生物燃料電池，其特徵在於所述的掛膜陽極和陰極的導電材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈、石墨板中的一種，掛膜陽極表面附著有脫氮除硫生物膜，掛膜陽極和陰極之間的距離為3 6cm。
5.如權利要求1所述的一種脫氮除硫微生物燃料電池，其特徵在於陽極反應室內的掛膜陽極的表面積與陽極反應室體積之比為9 40 m2:l m3，陰極反應室內的陰極的表面積與陰極反應室體積之比為9 40 m2:1 m3。
全文摘要
本發明公開了一種脫氮除硫微生物燃料電池。現有微生物燃料電池存在各式缺點。本發明包括恆溫攪拌系統、反應系統和數據採集監測系統，恆溫攪拌系統設有恆溫磁力攪拌器和磁力攪拌子；反應系統設有陽極室、陰極室和質子交換膜，陽、陰極室側面均設有進水管和出水管，頂部均設有導線固定管、取樣管和參比電極固定管，陽極室內裝有產電基質，產電基質中浸有游離脫氮除硫微生物和附著脫氮除硫微生物的掛膜陽極，陰極室內裝有陰極電解液，陰極電解液中浸有陰極，陽、陰極室之間設有質子交換膜；數據採集監測系統設有負載、數據採集器和電腦。本發明裝置可連續運行，無需曝氣，無需外加中介體，能夠實現同步廢水脫氮除硫和產電功能。
文檔編號H01M4/90GK102324544SQ20111026020
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者孫培德, 張吉強, 蔡靖, 鄭平, 郭茂新 申請人:浙江工商大學