一種三陽極共用單陰極型脫氮微生物燃料電池的製作方法
2023-05-03 10:24:21
本發明涉及一種三陽極共用陰極型脫氮微生物燃料電池，特別涉及微生物燃料電池裝置的結構設計，屬於生活汙水及工業廢水處理技術領域。
背景技術：
微生物燃料電池是利用微生物催化作用使有機物如有機酸、蛋白質、糖類等降解，將化學能直接轉化為電能的裝置，具有效率高、無汙染等特點。利用微生物燃料電池處理實際生活汙水，可在高效去除汙染物的同時，實現有效產電。近年來，關於利用微生物燃料電池技術實現有機物降解和氮類物質去除已成為研究熱點。但是目前所開發的有膜微生物燃料電池大多為傳統雙筒式結構，存在內阻較大、產電量較低等不足。
技術實現要素：
技術問題：針對現有技術的缺陷與不足，本發明提出一種三陽極共用單陰極型脫氮微生物燃料電池，該電池結構採用生物陰極代替Pt陰極，降低傳統MFC成本的同時，陽極COD去除率及陰極硝態氮去除率分別在80％和50％以上。採用三陽級結構，有效增加質子和電子由陽極向陰極傳輸的通道，在提高傳遞效率的同時，使陰陽極間電流增加，系統自身產生的弱電場也加強了陰陽極微生物的催化活性，從而進一步提高脫氮效率。該微生物燃料電池集汙水產電和高效脫氮於一體，具有節能減排意義。
技術方案：本發明是一種三陽極共用單陰極型脫氮微生物燃料電池，該電池主要包括三個陽極室、一個陰極室、三個陰陽極室連接結構和三根鈦導線及三個電阻；三個陽極室即第一陽極室、第二陽極室、第三陽極室分布於陰極室周邊，且在內部分別通過陰陽極室連接結構與陰極室連接；在外部分別通過三根鈦導線即第一鈦導線、第二鈦導線、第三鈦導線及三個電阻即第一電阻、第二電阻、第三電阻與陰極室連接，構成閉合電路；取樣口和進水口分別位於三個陽極室的兩側。
陽極室反應產生的電子通過外部鈦導線與電阻傳遞到陰極室，陽極室反應產生的質子通過陰陽極室連接結構與位於連接結構中間的質子交換膜傳遞到陰極室，在陰極室內實現生物脫氮。含有有機物的汙水從陽極進水口進入陽極室，含有硝酸鹽的廢水從陰極進水口進入陰極室，陽極出水通過陽極出水口排出，陰極出水通過陰極出水口排出，陽極產氣通過陽極排氣孔收集，陰極產氣通過陰極排氣孔排放。
陰陽極室連接結構由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結構間設有兩塊環氧橡膠墊，兩塊環氧橡膠墊間設有質子交換膜，用於實現陽極反應產生的質子向陰極的流動；陰陽極室連接結構由螺絲螺母固定，確保密閉；三個陽極室分別通過陰陽極室連接結構與陰極室連接，且三個陽極室上部均由密閉有機玻璃板及環氧橡膠墊密封，密閉有機玻璃板上開有橡膠塞孔及參比電極放置口，用於固定橡膠塞，橡膠塞分別用於鈦導線穿出及參比電極放置，取樣口用於陽極水樣分析測試。
三個陽極室處於厭氧環境，產電菌和非產電菌共同降解有機物，反應生成的質子通過質子交換膜傳遞到陰極室；陰極室採用反硝化菌作為生物催化劑，陰極石墨氈上微生物利用通過鈦導線從陽極傳遞過來的電子，對陰極室廢水中的硝酸鹽進行反硝化脫氮。陰極採用反硝化菌代替Pt作為生物催化劑，降低反應器成本的同時，陽極COD去除率及陰極硝態氮去除率分別在80％和50％以上。
含有一定濃度有機物的汙水從陽極進水口進入陽極室，陽極室處於厭氧環境，其石墨氈上附著著大量微生物，可以將汙水中大量含碳有機物代謝生成CO2、質子和電子，質子通過陰陽極室連接結構，穿過質子交換膜進入陰極室，電子通過具有導電性的鈦導線及外部電阻，到達陰極室，形成外電流。含有一定濃度的硝酸鹽汙水通過陰極進水口進入陰極室，陰極室中石墨氈上附著反硝化菌。在陰極室中，汙水中硝酸鹽氮通過附著在石墨氈上反硝化菌的作用，通過質子交換膜傳遞過來的質子以及外電路傳遞的電子生成水和氮氣，完成脫氮過程。
本發明所述的裝置還包括陰陽極室連接結構，由兩塊穿孔有機玻璃板組成，陰陽極室連接結構間設有兩塊環氧橡膠墊，環氧橡膠墊間設有質子交換膜。穿孔有機玻璃板之間用螺絲螺母嵌合在一起，確保密閉。
本發明所述的裝置還包括石墨氈與鈦導線之間的連接，將鈦導線彎曲成不同形狀，內插在石墨氈上，從而使得石墨氈固定在鈦導線上，以保證石墨氈與集流鈦導線電流傳導的暢通。
本發明所述的裝置還包括陰極採用培養馴化的反硝化菌代替Pt作為生物催化劑，降低反應器成本，同時對汙水中硝酸鹽進行反硝化，淨化汙水。
有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性進步：本發明採用與傳統單陽極單陰極微生物燃料電池不同的三陽極單陰極結構，能夠在不增加陽極室體積的同時，增加陽極室有效反應區，從而提高陽極庫侖效率；採用反硝化菌作為陰極催化劑，降低反應器成本，同時對汙水中硝酸鹽進行反硝化，淨化汙水；採用吸附能力強的石墨氈作為微生物載體及集流電極材料、導電性能好的鈦線作為導線，能夠降低反應器內阻，提高產電能力；陰陽極室連接結構及質子交換膜的布置設計，可以提高反應器內部電流通道，降低MFC內阻，提高產電能力；三陽級結構的布置設計，可以有效增加質子和電子的傳輸通道，同時提高產電，使系統自身產生的弱電場刺激增強陰陽極微生物的生理活性，進一步提高脫氮效率。總之，本發明有效地解決了現有技術的不足與缺陷，和以往微生物燃料電池相比，具有成本低、能高效脫氮、內阻低、產電能力強，適合長期間歇運行等特點，同時其操作性和安全性也得到了進一步提高。該裝置適合處理高濃度有機廢水的降解和高濃度硝酸鹽廢水的脫氮。
附圖說明
圖1為本發明反應器結構示意圖；
圖2為圖1中的A向視圖；
圖3為圖1中的B向視圖；
圖4為a-a剖面圖；
圖5為三陽級串聯微生物燃料電池組等效電路圖；
圖6為MFC的啟動與穩定運行圖；
圖7為三陽級共用單陰極型微生物燃料電池極化曲線與功率密度曲線圖。
圖中有：第一陽極室1a、第二陽極室1b、第三陽極室1c、陰極室2、陰陽極室連接結構3、質子交換膜4、石墨氈5、第一鈦導線6a、第二鈦導線6b、第三鈦導線6c、第一電阻7a、第二電阻7b、第三電阻7c、陽極進水口8、陽極出水口9、陰極進水口10、陰極出水口11、陽極排氣孔12、陰極排氣孔13、環氧橡膠墊14、密閉有機玻璃板15、固定螺絲螺母16、橡膠塞17、參比電極放置口18、陽極取樣口19。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
本發明是一種三陽極共用陰極型微生物燃料電池，能夠去除有機物，並實現陰極脫氮。本裝置主要由三個陽極室、一個陰極室和陰陽極室連接結構組成。
圖1為本發明的結構示意圖。主要包括三個陽極室即第一陽極室1a、第二陽極室1b、第三陽極室1c、陰極室2、陰陽極室連接結構3和三根鈦導線即第一鈦導線6a、第二鈦導線6b、第三鈦導線6c，及三個電阻即第一電阻7a、第二電阻7b、第三電阻7c；三個陽極室分布於陰極室2周邊，且在內部分別通過陰陽極室連接結構3與陰極室2連接，在外部分別通過鈦導線及電阻與陰極室2連接，構成閉合電路。陽極室反應產生的電子通過外部鈦導線與電阻傳遞到陰極室，陽極室反應產生的質子通過陰陽極室連接結構3與位於連接結構中間的質子交換膜4傳遞到陰極室，在陰極室內實現生物脫氮。含有有機物的汙水從陽極進水口8進入陽極室，含有硝酸鹽的廢水從陰極進水口10進入陰極室，陽極出水通過陽極出水口9排出，陰極出水通過陰極出水口11排出，陽極產氣通過陽極排氣孔12收集，陰極產氣通過陰極排氣孔13排放。
陰陽極室連接結構3由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結構3間設有兩塊環氧橡膠墊14，兩塊環氧橡膠墊14間設有質子交換膜4，用於實現陽極反應產生的質子向陰極的流動；陰陽極室連接結構3由螺絲螺母16固定，確保密閉；三個陽極室分別通過陰陽極室連接結構3與陰極室2連接，且三個陽極室上部均由密閉有機玻璃板15及環氧橡膠墊14密封，密閉有機玻璃板15上開有橡膠塞孔17及參比電極放置口18，用於固定橡膠塞，橡膠塞分別用於鈦導線穿出及參比電極放置，取樣口19用於陽極水樣分析測試。
圖2為圖1中的A向視圖，將鈦導線彎曲成不同形狀，內插在石墨氈5上，從而使得石墨氈5固定在鈦導線上，以保證石墨氈5與集流鈦導線電流傳導的暢通。圖3為圖1中的B向視圖，含有有機物的汙水從陽極進水口8進入陽極室，陽極出水通過陽極出水口9排出。圖4為a-a剖面圖，陰陽極室連接結構3由兩塊穿孔有機玻璃板組成，兩塊陰陽極室連接結構3間設有兩塊環氧橡膠墊14。
含有一定濃度有機物的汙水從陽極進水口進入陽極室，陽極室中石墨氈上附著著大量產電菌和非產電菌，可以將汙水中大量含碳有機物代謝生成CO2、質子和電子，其中代謝產物通過陽極出水口流出，CO2經由陽極排氣孔排出，質子通過陰陽極室連接結構，穿過質子交換膜進入陰極室，電子通過具有導電性的鈦導線及電阻，到達陰極室，形成外電流。含有一定濃度的硝酸鹽汙水通過陰極進水口進入陰極室，陰極室中石墨氈上附著反硝化菌。在陰極室中，汙水中硝酸鹽氮在附著於石墨氈上的反硝化菌作用下，通過質子交換膜傳遞過來的質子以及外電路傳遞的電子生成水和氮氣，完成脫氮過程，反應產物由陰極出水口流出，氣體經由陰極排氣孔排出。
將本發明反應器進行試驗，設置反應條件：固定外電阻值為1000Ω，等效連接電路如圖5所示，陽極進水COD濃度為600mg/L，陰極NaNO3濃度約為112mg/L，陰陽兩極進水分別按照1L:1mL的比例加入如表1所示的微量營養元素。試驗完成時，陽極COD去除率達到87.20％，陰極硝酸鹽去除率為75.52％，陰極庫侖效率為99.5％，最大功率密度輸出為795.70mW.m-3。說明本發明反應器可在高效產電的同時，有效實現陽極有機物降解、陰極脫氮。
表1微量營養元素配方表
圖6為本發明反應器在馴化過程中的電壓輸出圖，由圖6可見，三陽極共用單陰極型微生物燃料電池裝置是可行的，接種後MFC的電壓不斷上升，三個周期的穩定產電時間逐漸縮短，以乙酸鈉為底物的MFC獲得了可重複的最大電壓輸出412±1mV。
圖7為本發明反應器在試驗中的極化曲線，三陽級共用單陰極型微生物燃料電池的最大功率密度為338.35mW·m-3(相對於陰極室淨體積)，最大功率密度在外電阻為405.06Ω處獲得。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。