专利名称：处理废水的微生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及微生物燃料电池，特别涉及一种应用于废水处理的微 生物燃料电池，该微生物燃料电池在处理废水的同时进行发电，回收 能源。
背景技术：
应用于废水处理的微生物燃料电池是利用微生物降解废水中的 有机物，并将其转换成为电能的装置，在处理废水的同时进行发电， 回收能源。目前微生物燃料电池还处于实验室阶段，未能大规模应用， 其主要原因是产电效率较低，必须从几个方面加以改进提高。
绝大多数微生物由于细胞外层含有一层不导电的细胞膜，阻碍 了由催化底物所产生的电子从细胞内的氧化还原中心传递到电极上。 解决这一问题的传统方法是加入有机物小分子物质到电极上来作为 电子传递介质。这一方法也引起一些不良效果，主要是作为电子传递 介质的小分子有机物质容易从电极中泄漏到溶液，造成微生物催化电 极性能降低甚至失效。另一方面是造成新的污染同时也加大了微生物 燃料电池的制备及运作成本。
研究己经证明还原铁的微生物由于外细胞膜连接细胞色素，细 胞色素能起到细胞内与电极间的直接电子传递作用，将微生物催化有机物氧化所产生的电子直接从细胞内的氧化-还原中心传递到电子表 面，而无须加入其它介质，这也指明了微生物燃料电池实用化的发展 方向。
微生物燃料电池大多引用化学燃料电池的结构和关键材料，质 子交换膜是微生物燃料电池的关键材料之一，由于其价格昂贵，且在 微生物燃料电池的溶液环境中使用，容易被微生物的代谢产物污染及 阻塞，寻找其价格便宜，更好机械性能的代替物或采用无膜式的电池 结构是微生物燃料电池实用化的另一发展方向。
综上所述，要实现微生物燃料电池的实用化，必须解决两大问 题， 一是要采用能直接进行电子传递的产电微生物，二是要开发新的 和改进现有的微生物燃料电池所采用的电极材料和电极结构，使其降 低成本和提高性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于废水处理的单极室微生物燃料电 池，该微生物燃料电池所采用的电极材料和电极结构，成本低、性能 高。
本发明的目的是这样实现的 一种应用于废水处理的微生物燃料 电池，电池为单极室，其特征在于阳极位于极室中，阴极位于极室 的出口处，外侧直接暴露于空气中；其中所述的阳极是多孔石墨电极， 其上面固定有从深水或污水处理厂采集的污泥进行厌氧和电极通电 培养的产电微生物；其中所述的阴极采用阳离子交换膜与负载有 0. 5mg/cm2 Pt催化剂的碳布通过添加少量粘结剂热压而形成。本发明的微生物燃料电池，电池室下端出水口装配有泵及阀门， 用于调节废水在电池室内的水力停留。
该电池含有一个经修饰的多孔石墨电极作阳极、将深水或污水处 理厂采集的污泥进行厌氧和电极通电培养，所得到的异化金属还原菌 类微生物直接固定于该石墨电极上，阴极采用阳离子交换膜与负载有
0. 3-0. 8mg/cm2 Pt催化剂的碳布通过添加少量粘结剂热压而形成阴 极。阳极位于电池室里面，厌氧环境，阴极位于电池室的出口处、直 接与空气相接触，通过控制废水在电池室中的停留时间而达到C0D降 解程度。
该发明的一个特点是采用多孔石墨电极，将深水或污水处理厂采 集的污泥进行厌氧和电极通电培养，并将这些培养得到的产电微生物 直接固定于石墨电极上，不必添加电子传递介体材料，微生物与电极 间能够进行直接电子传递。
该发明的另一个特点是采用现已商业化应用的阳离子交换膜代 替传统的燃料电池常用的质子交换膜，其优点在于能较大程度地降低 膜的成本；另一优点是阳离子交换膜比质子交换膜有较好的机械性 能，更适合于在液相中使用，便于清洗，防止微生物代谢产物将膜污 染和阻塞。
图1为本发明的应用于废水处理的生物燃料电池系统示意图，包 括废水储液槽、泵、电极室，阳极和阴极。
图2为使用本发明的生物燃料电池处理淀粉废水时得到的开路电压与时间关系。
图3为使用本发明的生物燃料电池处理淀粉废水时的输出电流 密度-电压及功率密度关系图。图中曲线a表示电流密度-电压关系， 曲线b表示电流密度-功率密度关系。
附图中标号表示部分名称i为蓄液槽、2为蠕动泵、3为阳极
室、4为阳极、5为下部阀门、6为废水检测装置、7为阴极，8为电
阻，9为电流表，IO为电压表。
具体实施方案
如图1所示，本发明的应用于废水处理的生物燃料电池由单极室 组成，阳极4为多孔石墨材料，产电微生物通过培养、富集而固定于 阳极上，并置于阳极室3溶液中，该室保持厌氧环境。阴极7由阳离 子交换膜与负载有催化剂的碳布相结合，直接暴露于空气中。废水通 过蠕动泵2由蓄液槽1送至电池室上部入口，废水经处理后经由下部 阔门5排出，通过泵及阀门调控其在电池极室中的水力停留时间。利 用本发明的微生物燃料电池处理淀粉废水，废水的C0D为 500-1000mg/L，温度控制在28°C，通过外接的500Q电阻作为负载， 输出电流为125mA/m2，最大输出功率达41. 5mW/m2。经连续30h小时 处理后，废水的C0D降为125-250mg/L，废水的COD去除率为75%。
权利要求
1. 一种处理废水的微生物燃料电池，电池为单极室，其特征在于阳极位于极室中，阴极位于极室的出口处，外侧直接暴露于空气中；其中所述的阳极是多孔石墨电极，其上面固定有从深水或污水处理厂采集的污泥进行厌氧和电极通电培养的产电微生物；其中所述的阴极采用阳离子交换膜与负载有0.3-0.8mg/cm2Pt催化剂的碳布通过添加少量粘结剂热压而形成。
2. 根据权利要求1的应用于废水处理的微生物燃料电池，其特 征在于电池室下端出水口装配有泵及阀门，用于调节废水在电池室 内的水力停留时间。
全文摘要
本发明公开了一种应用于废水处理的微生物燃料电池，包括单极室的电池结构，采用多孔石墨培养、富集微生物作为生物阳极，阴极采用阳离子交换膜与负载有铂金属的碳布相结合。阳极置于电极室溶液中，阴极置于电极室的开口端，外侧直接暴露于空气中。本发明的微生物燃料电池能够有效地处理各种有机废水，使废水的COD降解率达75％以上，同时回收部分能源，具有制备成本低、运作效率高等特点。
文档编号H01M8/16GK101483251SQ200910037039
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月2日 优先权日2009年2月2日
发明者刘作涛, 吴丹奇, 歆 张, 王金玉, 袁燕森, 陈立香, 魏广科 申请人:汕头大学