從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池的製作方法

2023-05-07 03:58:41 1

專利名稱：從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可以在去除廢水中有機物的同時，獲得電能的微生物燃料電池裝 置，屬於生物質能源回收利用技術領域。
技術背景
生物質是一種可再生能源，儲量豐富，作為化石能源的替代能源利用，可實現C02零排 放，且其中S、 N含量低，可大大減輕溫室效應和環境汙染。可回收能源的生物質種類很多， 有機廢水就是其中一類。從有機廢水中可回收的能源目前主要有甲烷、氫氣和電能三種類型， 都是在微生物降解有機物的過程中產生的。
有機物在厭氧條件下通過發酵轉化為甲垸氣體，是傳統的高濃度有機廢水處理和能源回 收的技術方法，由於產甲垸細菌對環境條件極為敏感，很難控制適宜的條件達到厭氧生物處 理系統的穩定，同時甲烷屬於溫室氣體，非環境友好能源材料，因此，該方法的應用受到一 定的限制。
氫氣被認為是最具開發潛力的清潔能源之一，利用發酵微生物從廢水中提取氫氣是獲得
廉價氫氣的有效途徑。但目前這種方法氫氣的轉化率較低，總效率不到理論轉化率的30%， 只能將15%的廢水中的有機質能量轉化成氫氣形式，尚不具備開發利用的經濟價值，離實 際應用還有很長的距離。
利用微生物直接將廢水中的有機物質的化學能轉變為電能的裝置叫微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell，簡稱MFC)。由於MFC可以將廢水中的各種有機質化學能直接轉化 為電能，不僅能量轉化效率高、無汙染，而且在獲得電能的同時可以淨化廢水，削減或消除 汙染，因而日益受到人們的關注。
目前，MFC的典型設計是採用雙室結構，容納微生物的陽極室通過質子交換膜與陰極室 隔離，有機質在陽極室被厭氧微生物降解過程中產生的電子由陽極經外部電路傳輸到陰極 室，與其同時，質子通過質子交換膜也由陽極室進入陰極室，從而構成電流迴路，並通過外 部電路連接電氣元件回收或利用電能，氧分子、質子與電子在陰極室內化合生成水。由於使 用質子交換膜和貴金屬鉑電極，並且需要不斷給陰極室充入空氣為陰極室供氧，因此，典型 的MFC不僅構造複雜，造價與內電阻較高，而且還需要消耗許多外部動力，限制了其電能產 出效率和推廣應用。
中國專利授權公開號CN1164509C，授權
公開日為2004年9月1日，名稱為"一種用 於廢水處理的使用廢水和活性汙泥的生物燃料電池"，公開了 "一種使用廢水作燃料的生物燃料電池，其技術方案的要點是採用雙室微生物燃料電池，用質子交換膜分隔陽極室與陰 極室，運行時不斷向陽極室吹入氮氣以維持厭氧條件，並不斷向陰極室通入空氣以獲得較高 的溶解氧濃度。"該實用新型雖然能利用微生物的作用，在降解有機廢水的同時獲得電能， 但其構造複雜、構建成本高、內電阻高，且運行成本高，實用推廣難。
近年來，研究構建空氣陰極、有質子交換膜或無膜單室微生物燃料電池取得了一定成果， 但仍然受電極材料和結構限制，只能構建尺寸在幾釐米到十幾釐米的小型實驗裝置，難以應 用於實際廢水處理過程。如中國專利授權公開號CN1874040A，授權公丌日為2006年12月 6日，名稱為"一種以有機廢水為燃料的單池式微生物電池"，公開了 "一種以有機廢水為
燃料的單池式微生物電池，其技術方案的要點是採用單室微生物燃料電池，包括有機廢水
與厭氧微生物充填的陽極室，陽極位於陽極室封閉端，陰極位於陽極室開口端，並將陽極室 封閉，質子交換膜熱壓於陰極內表面。有機物在陽極室被微生物降解產生的電子通過陽極經 外部電路到達陰極，同時質子通過質子交換膜到達陰極，而空氣中的氧氣可直接通過陰極外 表面擴散進入陰極內表面，氧分子、質子與電子結合生成水。"該實用新型簡化了微生物燃 料電池的構造和運行，並利用空氣陰極，運行時無需通氣供氧，運行成本大大降低。該實用 新型也可以去掉質子交換膜，進一步降低成本。但該實用新型採用碳布、碳紙或其它材料作
為陽極，存在以下不足
1、 陽極表面積很小，能容納的微生物數量很少，降解有機物和產電的能力非常有限；
2、 受陽極與陰極間距離的限制，該實用新型只能構建容積很小的微生物燃料電池，難 以實際運用；
3、 該實用新型雖然可以不使用質子交換膜，但由於裝置規模太小，在不使用質子交換 膜時，自陰極擴散進入陽極室的微量氧氣必將對陽極室厭氧環境造成較大影響，從而影響電 能產生和運行的穩定；
4、 碳布或碳紙價格高、易脆裂，對安裝要求高，難以大規模使用。 實用新型內容
本實用新型的目的是克服現有利用微生物燃料電池處理有機廢水並產生電能的技術和 裝置中不足之處，提供一種結構簡單、生產成本低、操作方便、運行費用少、可構建大規模 裝置的從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池，能運用於生產實際，經濟有效地去除廢水 中有機物並產生電能。
根據本實用新型，上述目的可以通過不鏽鋼絲陽極一空氣陰極一無膜一單室微生物燃料 電池來實現，本實用新型解決技術問題所採用的技術方案如下本實用新型的結構特點是由封閉的圓柱形或方形池體構成微生物燃料電池的陽極室，陽 極懸掛於陽極室內，陰極固定於陽極室的側壁，陰極內表面與陽極室連通，外表面與空氣接 觸，空氣中的氧氣自陰極外表面自由擴散至內表面，進水口位於池壁底部，出水口位於池壁 上部，自陽極引出的導線在陽極室外部與陰極外表面連接構成外部電路，在外部電路中設置 用於回收或電能利用的電氣元件。
本實用新型的結構特點也在於-
懸掛於陽極室內的陽極採用同時作為生物填料的海綿狀不鏽鋼絲團簇，海綿狀不鏽鋼絲 團簇可充滿或半充滿陽極室。
陰極採用內表面含有5 % 15 %鉑催化劑的碳布。。
本實用新型是以微生物燃料電池裝置，同步實現有機廢水淨化和生物質能源回收利用。 與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在
1、 本實用新型陰極與空氣直接接觸，獲得充足氧氣的同時，無需外加充氣裝置和動力， 大大降低運行成本和構建費用；
2、 本實用新型裝置結構簡單，並很容易與當前常用的汙水生物處理工藝裝備相結合， 如可與升流式厭氧汙泥床反應器(UASB)或厭氧生物接觸氧化工藝結合，可以新建裝置，也 可以從現有裝置改造，具有很強的工程實用性；
3、 本實用新型採用不鏽鋼金屬絲團簇構成陽極，完全擺脫了傳統的碳布、碳紙或石墨 棒陽極受材料性能、價格、使用壽命和安裝方面的限制，降低了微生物燃料電池的構建難度 和成本，並且裝置不受規模的限制；
4、 本實用新型由於採用不鏽鋼絲團簇陽極，陽極表面積遠遠大於傳統裝置，能容納更 多的微生物，並且運行中陽極表面與廢水接觸充分，表面廢水不斷更新，使陽極室內懸浮生 長的微生物也能參與有機物降解和產生電能，廢水淨化效果和產電效率更高；
5、 本實用新型由於釆用不鏽鋼絲團簇陽極，擺脫了傳統裝置中裝置規模受陽極與陰極 間距離及陽極室有效容積的束縛，可構建適用於生產規模的裝置，實現微生物燃料電池技術 從實驗室走向工程實際；
6、 本實用新型由於裝置規模可以增大，容納的微生物總量和單位時間處理的廢水量增 多，自陰極擴散至陽極室的微量氧氣可以很快被消耗掉，影響的區域相對整個陽極室容積可 忽略不計，因此，可以完全不用價格昂貴、使用壽命短、安裝難度大的質子交換膜，降低微 生物燃料電池的構建成本和難度。

圖1 (a)為本實用新型所述的微生物燃料電池實施例1結構示意圖。 圖1 (b)為本圖1 (a)俯視結構示意圖。
圖2 (a)為本實用新型所述的微生物燃料電池實施例2結構示意圖。 圖2 (b)為本圖2 (a)俯視結構示意圖。
圖3 (a)、圖3 (b)為本實用新型實施例l處理葡萄糖自配有機廢水的運行結果。 圖中標號1陽極室、2陽極、3陰極、4為MFC池體、5進水口、 6出水口、 7電氣元 件、8導線。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的各實施例及其工作過程。
實施例1:
參見圖1 (a)、圖1 (b)，本實施例不鏽鋼絲陽極一空氣陰極一無膜一單室微生物燃料 電池包括由MFC池體4構成的陽極室1，陽極2懸掛於陽極室1內部，陰極3用法蘭固定於 陽極室1外側，陰極3內表面與陽極室1內部連通，陰極3外表面與空氣接觸，空氣中的氧 氣可以自由擴散至陰極3內表面，厭氧微生物附著於陽極2表面或在廢水升流擾動下懸浮於 陽極室1內，池體4側壁設置進水口 5和出水口 6，進水口 5靠近池底，出水口 6靠近池頂， 自陽極2引出的導線8在陽極室1外部與陰極3外表面連接，導線8中間連接電氣元件7。
具體實施中，MFC池體4可以建成圓柱形(如圖1 (b)所示)，也可以是方形(中圖2 (b)所示)，可使用內壁防腐絕緣處理的鋼筋混凝土或鋼結構，也可使用玻璃鋼材料構建。 陽極2由海綿狀不鏽鋼絲團簇構成，懸掛於陽極室l內，可充滿陽極室l，也可半充滿陽極 室l，陽極2也可由任何具有良好導電性能、耐腐蝕、不可生物降解的材料構成。陰極3可 由碳布構成，內表面含5% 15%鈾催化劑。
本實施例中單室微生物燃料電池的工作過程為
在陽極室1內加入厭氧微生物菌種，有機廢水自池體4側壁下部的進水口 5流入陽極室 1內，並緩慢升流至池體4側壁上部的出水口 6流出陽極室1。附著於陽極2表面和懸浮於 陽極室l內部的厭氧微生物在新陳代謝過程中，氧化降解廢水中的有機物質，並產生電子和 質子，電子經陽極2傳輸到連接的導線8，通過外部電路到達陰極3，同時生成的質子也到 達陰極3內表面，空氣中的氧氣在氧分壓差推動下，自陰極3外表面擴散至陰極3內表面， 在鉑催化劑作用下，氧氣、質子和電子化合生成水。由於電子的不斷傳輸，外部電路形成電 流，通過連接於外部電路的電氣元件7回收或利用電能。在獲得電能的同時，由於厭氧微生 物的分解和轉化作用，使廢水中的有機物濃度降低，廢水得以淨化，並且微生物自身獲得養分而不斷增殖，可以處理更多的有機廢水和產生更多的電能。
利用本實施例單室微生物燃料電池處理實驗室自配葡萄糖廢水，在進水COD濃度為 496mg/L時，微生物燃料電池的開路電壓為461mV，外部電路1000 Q電阻兩端的最高電壓值 為235mV，如圖3 (a)所示，獲得的最大功率密度為137mW/m2(陰極)，如圖3 (b)所示， 出水C0D濃度降至60mg/L， C0D去除率達88%，庫侖效率達32. 4%。利用該實用新型的單室 無膜微生物燃料電池在回收生物質能源獲得電能的同時，降解了廢水中的有機物質，使廢水 得以淨化。
實施例2:
參見圖2 (a)、圖2 (b)，本實施例不鏽鋼絲陽極一空氣陰極一無膜一單室微生物燃料 電池，其組成和工作方式與實施例1中所述的微生物燃料電池基本相同，不同之處在於廢 水在陽極室1內呈水平推流狀態，這一方式可以降低陽極室1高度，適用於規模較大或地埋 式有機廢水處理場合。
權利要求1、 一種從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池，其特徵是由封閉的圓柱形或方形池體(4)構成微生物燃料電池的陽極室(1)，陽極(2)懸掛於陽極室(1)內，陰極(3)固定於陽極室(1)的側壁，陰極(3)的內表面與陽極室(1)連通，外表面與空氣接觸，空氣中的氧氣自陰極外表面自由擴散至內表面，進水口(5)位於池壁底部，出水口(6)位於池壁上部，自陽極(2)引出的導線(8)在陽極室外部與陰極外表面連接構成外部電路，在所述外部電路中設置用於回收或電能利用的電氣元件(7)。
2、 根據權利要求1所述的從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池，其特徵是所述懸 掛於陽極室(1)內的陽極(2)採用同時作為生物填料的海綿狀不鏽鋼絲團簇，所述海綿狀 不鏽鋼絲團簇可充滿或半充滿陽極室(1)。
專利摘要一種從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池，其特徵是由封閉的圓柱形或方形池體構成微生物燃料電池的陽極室，陽極懸掛於陽極室內，陰極固定於陽極室的側壁，陰極的內表面與陽極室連通，外表面與空氣接觸，空氣中的氧氣自陰極外表面自由擴散至內表面，進水口位於池壁底部，出水口位於池壁上部，自陽極引出的導線在陽極室外部與陰極外表面連接構成外部電路，在外部電路中設置用於回收或電能利用的電氣元件。本實用新型結構簡單，不受陽極與陰極間距離限制，可構建適合生產規模的裝置，無需外加動力來提高陰極表面的氧含量，不使用質子交換膜，構建和運行成本低，可在從生物質中回收電能的同時淨化廢水。
文檔編號H01M8/06GK201134469SQ20072004422
公開日2008年10月15日 申請日期2007年9月26日 優先權日2007年9月26日
發明者崔康平, 莫裡斯M·傑弗裡, 松 金 申請人:合肥工業大學