专利名称：一种基于水处理的酶燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种电池装置，具体为一种基于水处理的酶燃料电池装置。
背景技术：
自工业革命以来，水处理问题一直困扰着发达国家和发展中国家。污水 处理的能耗大，运行管理费用高，因而尽管其社会效益和环境效益显著，但 经济效益并不明显，是一项投入大、产出少的行业。废水中含有多种有机物 质，如何利用这些生物质能得到各国的普遍重视。如何找到一种既能净化水 体，又能产生能量的新型污水处理方法受到广泛的关注。在增加政府投入和 规范投资的同时对废水进行资源化再利用，可以在一定程度平衡污水处理厂 的运行费用。
以往常用的废水处理技术主要有物理法、化学法、生物法和电化学水处
理，其中，物理法、化学法容易引起二次污染；电化学水处理的基本原理是 使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学转化。是指在外加电场 的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一系列设计的化学反应、电化学 过程或物理过程，产生大量的自由基，进而利用自由基的强氧化性对废水中 的污染物进行降解的技术过程，是高级氧化技术的一种。但其有一个缺点就 是处理需要外加电场，消耗能量。生物法以其经济性和较高的处理效率成为 目前使用广泛的、能使污染物最终无机化、矿物化的方法，但它只能有效地 处理生物相容的有机物。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服了现有废水处理方法的上述缺陷，提供了一 种由上流式矩形反应器和四块玻碳板构成的涡流发生器组成的一种连续式水 处理酶燃料电池装置。该装置具有处理量大、效率高、能耗低等特点。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本装置包括反应器盖、与反应器盖围成一密闭空间的壳体、设置在该密闭空间内的涡流发生 器、与密闭空间下部相连通的入水管、与密闭空间上部相连通的出水管、阳
极引出导线和阴极引出导线。其中；所述的壳体由内向外依次包括侧壁上带 有通孔的内壳、质子交换膜、载有氧还原催化剂的碳纸阴极和侧壁上带有通 孔的外壳，外壳上的通孔与内壳上的通孔位置相对应，碳纸阴极与阴极引出 导线相连接。所述的涡流发生器由四片载有酶的玻碳电极板围成，玻碳电极 板上设置有通孔，阳极引出导线与玻碳电极板相连接。
所述的玻碳电极板上的通孔的内径为2 4腿，孔间距为4mm。 所述的内壳上的通孔的内径为8 10mm，孔间距为2 4mm。 所述的外壳上的通孔的内径为8 10mm，孔间距为2 4咖。 所述的内壳、质子交换膜、碳纸阴极和外壳通过螺栓固定连接。 废水从涡流反应器下部的入水管流入，流经涂有酶的涡流发生器后从上 部出水管流出。 一般来说，水流经过直的管道时由于流体速度会产生一个坡 度，直接贴附着管道内壁的水流速度接近为零，并形成薄薄的层面，在水利 学中这个层面被称为"扩散边界层"。为了实现水的充分混合及与载有氧化酶 的玻碳电极接触，必须去掉这个限制层。涡流发生器的引入将层流成功转化 为涡流，水与电极的接触面被极大的拓展了。
本实用新型与传统水处理装置相比，在达到相同水处理效果的情况下， 由于设备同时产电，能耗明显降低，可节约投资。上流式的结构可减小占地 面积，降低运行费用。连续操作使有机物能充分接触载有酶的玻碳电极，处 理效果比静态处理更优越，给实际应用提供了可能。酶燃料电池利用酶作为 催化剂，在降解废水中有机物质的同时将燃料的化学能转化为电能，兼具废 物处理与能源生产的功能，是一种新型水处理方法，具有很大的应用潜力。 这种方法可大大降低污水处理成本，对于广大污染严重的发展中国家来说， 这项可以同时实现清洁产能和除废双重目的的技术尤为实用。
图1本实用新型上流式水处理酶燃料电池装置结构示意图2本实用新型上流式水处理酶燃料电池装置剖切结构示意图；；
图3带有均匀小孔的树脂玻璃矩形内壳及盖结构示意图4涡流发生器结构示意图5本实用新型中壳体的结构示意图中1、反应器盖，2、涡流发生器，3、阴极引出导线，4、入水管，5、 内壳，6、阳极引出导线，7、质子交换膜，8、碳纸阴极，9、外壳，10、出 水管，11、螺栓。
具体实施方式
以下结合附图1 5对本实用新型作进一步说明
如图1 图3所示，本实施例包括矩形的反应器盖1、与矩形的反应器盖 l一起围成一个密闭空间的壳体、设置在该密闭空间内的涡流发生器2、与该 密闭空间下部相连通的入水管4和与该密闭空间的上部相连通的出水管10。
壳体的结构如图2、图5所示，由内向外依次为带有均匀小孔的树脂玻璃 矩形内壳5、包在内壳5外的质子交换膜(PEM) 7、包在质子交换膜7外的载 氧还原催化剂的碳纸阴极8、带有均匀小孔的树脂玻璃外壳9和螺栓11。内壳5、 质子交换膜7、碳纸阴极8和外壳9通过螺栓11固定连接。内壳5和外壳9上的小 孔的内径均为8mm，孔间距均为2mm，并且内壳5上的小孔与外壳9上的小孔位 置相对应。碳纸阴极8与阴极引出导线3相连接。
涡流发生器2作为本装置的阳极，其结构如图4所示，由四片涂有葡萄糖氧 化酶的玻碳电极板围成，玻碳电极板上均匀设置有用于废水流过的小孔，小 孔的内径为4mm，孔间距为4mm。葡萄糖氧化酶可以通过多种方法固定在玻碳 电极上，如吸附法、包埋法、交联共聚法、导电物质和导电聚合物修饰法 等。阳极引出导线6与玻碳电极板相连。
使用本装置进行水处理及发电时，废水从下部的入水管4流入，经过涡 流发生器2后，从上部的出水管10流出。在这个过程中，阳极上的葡萄糖氧化酶催化氧化废水中的有机物质成C02，并产生电子和质子。质子通过带有均 匀小孔的树脂玻璃矩形内壳5透过包在内壳外的质子交换膜(PEM) 7传到载 催化剂的碳纸阴极8上，同时电子由阳极通过阳极引出导线6和阴极引出导 线3按相同方向传递到碳纸阴极8，在这个过程产生电能。电子、质子和最终 电子接受体02在阴极反应生成&0 (其中氧气从外壳9上的小孔进入，参与阴 极上的反应)。其中，载催化剂的碳纸阴极8中的催化剂可以采用贵金属铂(Pt) 系列，或金属酞菁化合物，金属卟啉化合物，金属氧化物等。以葡萄糖作为 模拟废水成份，反应如式如下所示
阳极反应C6//1206+6//2(94 6C(92+24/r+24e- ￡e=0.014r (l)
阴极反应602+24iT+24e-~>12/f20 ^=1.237
总反应:
C6//1206 + 6(9, — 6C0， + 6//，(9
权利要求1、一种基于水处理的酶燃料电池装置，其特征在于包括反应器盖(1)、与反应器盖(1)围成一密闭空间的壳体、设置在该密闭空间内的涡流发生器(2)、与密闭空间下部相连通的入水管(4)、与密闭空间上部相连通的出水管(10)、阳极引出导线(6)和阴极引出导线(3)；其中；所述的壳体由内向外依次包括侧壁上带有通孔的内壳(5)、质子交换膜(7)、载有氧还原催化剂的碳纸阴极(8)和侧壁上带有通孔的外壳(9)，外壳(9)上的通孔与内壳(5)上的通孔位置相对应，碳纸阴极(8)与阴极引出导线(3)相连接；所述的涡流发生器(2)由四片载有酶的玻碳电极板围成，玻碳电极板上设置有通孔，玻碳电极板与阳极引出导线(6)相连接。
2、 根据权利要求1所述的一种基于水处理的酶燃料电池装置，其特征在于所述的玻碳电极板上的通孔的内径为2 4mm，孔间距为4mm。
3、 根据权利要求l所述的一种基于水处理的酶燃料电池装置，其特征在于 所述的内壳(5)上的通孔的内径为8 10mm,孔间距为2 4腿。
4、 根据权利要求l所述的一种基于水处理的酶燃料电池装置，其特征在于 所述的外壳(9)上的通孔的内径为8 10mm，孔间距为2 4mm。
5、 根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种基于水处 理的酶燃料电池装置，其特征在于所述的内壳(5)、质子交换膜(7)、碳 纸阴极(8)和外壳(9)通过螺栓(11)固定连接。
专利摘要本实用新型是一种电池装置，具体为一种基于水处理的酶燃料电池装置，本装置在发电的同时进行有机废水的处理。包括反应器盖、与反应器盖围成一密闭空间的壳体、设置在该密闭空间内的涡流发生器、与密闭空间下部相连通的入水管、与密闭空间上部相连通的出水管、阳极引出导线和阴极引出导线。其中；所述的壳体由内向外依次包括侧壁上带有通孔的内壳、质子交换膜、载有氧还原催化剂的碳纸阴极和侧壁上带有通孔的外壳，外壳上的通孔与内壳上的通孔位置相对应，碳纸阴极与阴极引出导线相连接。所述的涡流发生器由四片载有酶的玻碳电极板围成，玻碳电极板上设置有通孔，玻碳电极板与阳极引出导线相连接。该装置具有处理量大、效率高、能耗低等特点。
文档编号C02F1/46GK201245489SQ20082010915
公开日2009年5月27日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者于志辉, 夏定国, 张陶然, 洁 白 申请人:北京工业大学