一種鹼性微生物燃料電池的製作方法

2023-05-07 11:18:41

專利名稱：一種鹼性微生物燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明屬於微生物燃料電池技術領域，具體涉及的是一種在鹼性條件下工作的微生物燃料電池。
背景技術：
微生物燃料電池是利用微生物氧化有機物將化學能轉變為電能的裝置。它可以應用於對廢水的處理，實現回收廢水中的能量同時又淨化汙水，達到環境和能源的雙贏效果。由於微生物接種來源和生長條件的限制，微生物燃料電池大多工作在中性或弱酸性的電解質。在這種條件下，空氣陰極上發生的氧還原反應動力學較差。因此，為了達到良好的陰極性能，陰極催化劑大多使用貴重金屬鉬。如中國專利「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」(公開號CN1164509C)、「一種以有機廢水為燃料的單池式微生物電池」(CN1874040A)、「一種無介體微生物燃料電池」(CN1889297A)、「一種連續折流式直接微生物燃料電池」(CN201117727Y)、「折流板空氣陰極微生物燃料電池」(CN101227008A)、「無膜和無介體的微生物燃料電池」 (CN1659734)、「生物反應器-直接微生物燃料電池及其用」(CN1949577)、「可堆疊式單室微生物燃料電池」(CN101034754A)、 「微生物燃料電池裝置和電池及用法以及水處理系統」(CN101118973)、「微生物燃料電池及其處理啤酒廢水的方法」(CN101145620)「一種雙筒型微生物燃料電池「(CN1937297A)。金屬鉬不僅價格昂貴而且資源有限，極大地限制了微生物燃料電池在廢水處理上的推廣應用。 研發的過度金屬大環絡合物，如酞箐鐵(FePC)、四苯基啉(COTMPP)替代貴金屬鉬催化劑， 雖獲得了與鉬催化劑相當的催化性能，也解決了資源短缺的問題，但其催化劑製造複雜，成本仍高，實際應用也存在困難。其它相對便宜的陰極催化材料如二氧化錳、鐵離子和錳離子也有研究，但這些催化材料不穩定，長時間運行會溶解到溶液中，需要再生或替換，不但使運行工藝複雜化，而且金屬離子溶出造成二次汙染。提高陰極性能是目前微生物燃料電池亟待解決的關鍵問題。除需要開發成本低廉、穩定性高、催化活性高的空氣陰極催化劑外，改變微生物燃料電池的運行條件來提高陰極性能也是另一種途徑。在鹼性介質中，氧還原反應具有較高的動力學，即使使用成本低廉的非貴金屬催化劑作陰極材料也能獲得較高的陰極性能。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種鹼性微生物燃料電池。其特點在於陰極催化劑使用成本低廉的非貴金屬材料，鹼性介質實現高的陰極氧還原性能，從而達到微生物燃料電池的高性能、低成本。為解決技術問題，本發明提供的技術方案為提供一種鹼性微生物燃料電池，包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極，所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別塗覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置於容器兩側；
該燃料電池啟動時的電解液的配製方式為將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，並按1克/升的比例加入有機物基質，混合溶液用鹼性溶液調節PH值為9 12 ；該燃料電池產電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種第一種電解液的配製方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質形成溶液B，溶液B用鹼性溶液調節PH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，有機廢水用鹼性溶液調節pH值為9 12 ；所述的溶液A的組成為 每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、 2ml微量元素溶液，餘量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg 維生素B、1 Omg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 『 H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。本發明中，所述有機廢水是城市生活汙水、啤酒廢水、食品加工廢水或畜牧業廢水中的任意一種。本發明中，所述鹼性溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其濃度為1Μ。本發明中，所述有機物基質是乙酸鈉、乙酸、葡萄糖、乙醇或甲酸中的任意一種。本發明中，所述電池殼體為圓柱腔體的立方形塑料容器。本發明的電極材質中不含任何金屬催化劑，電解液為含有鹼性介質、有機基質和微生物的有機廢水。微生物在鹼性條件下生長，並在陽極上成膜形成具有產電活性的生物陽極。本發明採用價格低廉、高比表面的顆粒狀活性炭為催化劑的空氣陰極，不用金屬催化齊U，降低了電池的製造成本，電池在鹼性條件下運行使陰極達到高性能。同時在鹼性條件下馴化、生長微生物，並使微生物在陽極上成膜形成具有產電特性的生物陽極。能夠有效地處理廢水並獲得高的電能輸出。與現有技術相比，本發明的有益效果在於(1)陰極催化材料是採用來源廣泛、價格低廉的活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低了電池構造成本。在鹼性條件下運行，陰極氧還原性能得到提高。(2)電池在鹼性環境下接種和運行，微生物在鹼性環境下馴化、生長，並直接在陽極上成膜形成具有產電活性的生物陽極。鹼性環境不僅抑制非產電微生物的生長，而且可以降低因體系中發酵細菌降解基質導致PH下降而降低產電功率。從而提高有機物的能量轉化效率。(3)在高濃度有機物的條件下，電池能穩定運行，且有機物利用率高。


圖1為本發明所述微生物燃料電池的結構示意圖。圖中附圖標記1電池殼體、2碳纖維刷陽極、3空氣陰極。圖2電池在pH = 10時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關係。圖3電池在pH = 9時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關係。圖4電池在pH = 12時電池的輸出功率和電壓與電流密度的關係。
具體實施方式
下面通過具體實施例，對本發明的實現方式進行詳細描述。本發明中的鹼性微生物燃料電池由電池殼體、陽極和空氣陰極構成的單室電池， 其陽極是由鈦絲和活性炭纖維製成的活性碳刷，空氣陰極是兩面分別塗覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布，並以擴散層朝向空氣、活性炭催化層朝向電解液。陰極導線和陽極與外電路連接。電路上連接電阻測試電池性能。本發明中的鹼性微生物燃料電池的啟動和運行是在相同鹼性pH值條件下進行， 實施步驟包括(1)微生物燃料電池的啟動將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，並按1克/升的比例加入有機物基質，混合溶液用鹼性溶液調節PH值為9 12 ；將調節pH值後的混合液加入電池中，在系統的閉合迴路中接入1000歐姆電阻，當電池電壓低於20mV時，用調解pH值後的混合液更換電池中的溶液；持續更換電池溶液直到兩批次間隙式運行時電池電壓大致重複，電池啟動完畢。(2)微生物燃料電池的產電運行

該燃料電池產電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種第一種電解液的配製方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質形成溶液B，溶液B用鹼性溶液調節pH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，有機廢水用鹼性溶液調節pH值為9 12 ；電池在外接1000歐姆電阻和恆溫條件下間隙式運行，每當電池電壓低於50mV時， 完全更換電池的溶液，注入新鮮溶液進行新的試驗。所述的溶液A的組成為每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、 2ml微量元素溶液，餘量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg 維生素B、1 Omg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 『 H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。各實施例在微生物燃料電池模式下產電時的數據如下。表1在第一種電解液下產電時的各實施例數據
具體實施例序號~~ΓΙΓ~2Γ^ΓΙ ΓΙ Γ~6
Μ氫氧化鈉11111
IM氫氧化鉀ν
pH10109121010
乙酸鈉2克/升 8克/升
0.5克/升
權利要求
1.一種鹼性微生物燃料電池，包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極，其特徵在於， 所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別塗覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置於容器兩側；該燃料電池啟動時的電解液的配製方式為將有機廢水與溶液A按1 1的體積比混合，並按1克/升的比例加入有機物基質，混合溶液用鹼性溶液調節pH值為9 12 ； 該燃料電池產電運行時的電解液，其配置方法是下述任意一種 第一種電解液的配製方式為在溶液A中添加0. 5 8克/升有機物基質形成溶液B， 溶液B用鹼性溶液調節pH值為9 12 ；第二種電解液為有機廢水，並用鹼性溶液調節pH值為9 12 ； 所述的溶液A的組成為每升溶液中包括8. 4g NaHCO3^0. 31g NH4CUO. 13gKCl、2ml 微量元素溶液，餘量為蒸餾水；所述微量元素溶液為每升溶液中包括2mg生物素、2mg維生素B、10mg維生素B6、5mg核黃素、5mg硫胺、5mg煙酸、5mg維生素B3、0. Img B-12、 5mg 對氨基苯甲酸、5mg 硫辛酸、1. 5g NTA,3. Og MgS04、0. 5g MnSO4 『 H2OU. Og NaCl、0. Ig FeSO4 · 7Η20、0· Ig CaCl2 · 2Η20、0· Ig CoCl2 · 6Η20、0· 13g ZnCl2、0. Olg CuSO4 · 5Η20、0· Olg AlK(SO4)2 · 12Η20、0· Olg H3BO3>0. 025g Na2Mo04、0. 024g NiCl2 · 6Η20、0· 025gNa2W04 · 2Η20。
2.根據權利要求1所述的鹼性微生物燃料電池，其特徵在於，所述有機廢水是城市生活汙水、啤酒廢水、食品加工廢水或畜牧業廢水中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的鹼性微生物燃料電池，其特徵在於，所述鹼性溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，其濃度為1Μ。
4.根據權利要求1所述的鹼性微生物燃料電池，其特徵在於，所述有機物基質是乙酸鈉、乙酸、葡萄糖、乙醇或甲酸中的任意一種。
全文摘要
本發明屬於微生物電化學技術領域，旨在提供一種鹼性微生物燃料電池。該電池包括容器狀的電池殼體、陽極和空氣陰極；所述陽極為活性炭纖維刷、碳布或碳紙，空氣陰極為兩面分別塗覆聚四氟乙烯擴散層和顆粒活性炭催化層的碳布集電體，且空氣陰極以擴散層面向空氣、催化層面向溶液置於容器兩側；該燃料電池的電解液分為啟動時的電解液和產電運行時的電解液，其中產電運行時的電解液又分為有機物基質和有機廢水兩種主要成分。本發明陰極催化材料是採用活性炭，不含任何金屬催化劑，大大降低成本。在鹼性條件下運行，陰極氧還原性能得到提高，可提高有機物的能量轉化效率。在高濃度有機物的條件下，電池能穩定運行，且有機物利用率高。
文檔編號H01M8/16GK102368559SQ201110340069
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者岑可法, 成少安 申請人:浙江大學