专利名称：一种微生物燃料电池半焦电极及其制备方法
技术领域：
本发明属于废水处理技术领域，特别涉及一种微生物燃料电池半焦电极及其制备 方法。
背景技术：
目前，水污染和能源短缺成为制约社会经济发展的突出问题。污水处理需要消耗 大量的电能，但同时污水中含有大量的能源物质，有望成为一种具开发价值的新型能源。微 生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)技术是近几年发展起来的一种新型水处理 技术，它在净化污水的同时能够利用产电微生物的催化作用将水中污染物的化学能转化为 电能，从而降低了污水处理的能耗。随着我国污水处理量的逐年增加，MFC潜在的优越性使 人们对它的发展前景普遍看好。但是该技术起步晚，与实用化尚有一段距离。造价高和功率低是MFC实用化的主要限制因素，其中造价高的问题显得尤为突 出。以目前产电功率密度相对较高的空气阴极型小试MFC为例，由于阴极采用了贵金属钼 作为催化剂，将反应器堆积至体积达Im3时，造价将会超过一万美元。为了降低成本，研究 者开发出了生物阴极型MFC。生物阴极是用微生物代替贵金属作为阴极催化剂，因而大大降 低了反应器造价，同时生物阴极型MFC可以实现脱氮等更为全面的水处理功能，而且还避 免了化学催化剂中毒的问题，提高了 MFC的运行稳定型。但是目前生物阴极型MFC的造价 仍然较具有同样处理能力的常规水处理装置高出数倍甚至数十倍。其中电极材料的成本占 MFC装置成本的50%以上。同时，作为MFC的核心部分，电极的材质和构型直接决定了 MFC 的性能。因此，开发廉价、高效的生物阴极型MFC电极材料成为推进MFC实用化的重要途径 之一。目前常用的生物阴极型MFC的电极材料种类繁多，从材质角度可以分为碳材料和 金属材料两大类。其中以碳材料居多，包括碳布、碳纸、碳纤维、石墨、碳毡等。常用的金属 材料包括钛和不锈钢。从构型角度可以将电极材料分为平面型和立体构型两类。平面型电 极材料包括碳纸和碳布等。碳纸是燃料电池常用的电极材料，表面较为光滑，但是材质较 脆，在MFC研究中适宜于生物量的定量测定。与碳纸相比，碳布表面较为粗糙，更利于微生 物的附着生长，同时碳纸具有较好的柔韧性和机械强度。但是，上述两种材料的价格过高， 无法实用。与平面型电极材料相比，立体型电极材料可以在单位体积内为微生物提供较大 的附着面积，从而提高了 MFC内生物密度，进而获得较高的产电功率。因此，立体构型是将 MFC推向实用化的较为理想的电极构型。目前常见的立体构型又可分为碳刷型和填料型两 种。碳刷电极是用钛丝等耐腐蚀的金属丝和碳纤维制作而成。该电极具有表观面积大、电 子收集效率高、空隙率大等优点，可以获得较高的功率密度。但是由于碳纤维价格较高，因 此该电极的造价无法满足实用化的需求。此外，电极在使用过程中会出现碳纤维粘连的现 象，因而降低了其表观面积。填料型MFC与生物滤池等水处理装置具有一定相似性，是将颗 粒状电极材料堆填在反应器中。所不同的是，MFC中的填料型电极材料需要具有良好的导 电性，且填料之间接触良好，以确保电子能够有效地传导至集电材料。目前常用的填料型电极材料包括石墨颗粒和碳毡等，这些电极材料可以使MFC具有良好的产电性能，但是这些 材料成本过高，以价格相对较低的石墨为例，体积为Im3的MFC反应器中电极材料成本就达 到8000元以上。由于填料型电极材料来源广，材料选择范围大，因此，通过高效廉价电极材 料的优选，有望使电极材料的成本大幅度降低。在填料型MFC中，电极填料起着附着生物膜和传导电子的作用，一般选用填料型 电极材料时，要综合考虑以下几点价格便宜，易于获取；导电性良好；表面粗糙，孔隙发 达，适合微生物在其表面生长；稳定性好，要求填料能抗酸、抗碱、耐氧化，不易生物降解，不 易老化等；质轻，机械强度大；微生物挂膜快等。选择合适的电极填料，能够显著降低生物 阴极型MFC的造价，提高运行效果及运行稳定性等。关于微生物燃料电池电极材料的中国专利截至目前不足10项，主要涉及阳极和 生物阴极的改性及修饰方法，以及化学阴极的制备方法。还未出现将半焦电极应用于微生 物燃料电池的相关专利技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种廉价的、可用于微生物燃料电池的填料型阳极和填料型 生物阴极的材料。一种微生物燃料电池半焦电极，其特征在于，所述电极由粒径为2 5mm的半焦颗 粒组成。一种微生物燃料电池半焦电极的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行(1)将市售的由褐煤低温干馏而成的半焦块进行机械破碎，并筛分出粒径2 5mm 的半焦颗粒；(2)将筛分出的半焦颗粒填充至微生物燃料电池的阳极室或生物阴极型微生物燃 料电池的阴极室中，同时将石墨棒插入填料中作为引电材料。本发明的有益效果本发明采用半焦作为阳极材料时，反应器启动速度与填充其 他填料时没有明显差别，最大产电功率密度仅比碳毡和石墨分别低14. 7%和8. 8%;半焦作 为阴极材料时，反应器启动速度同样与填充其他填料时差别不大，最大产电功率密度比碳 毡和石墨分别高13. 6%和39. 6%。同时，半焦电极的成本低廉，填充Im3微生物燃料电池反 应器腔体的成本仅为300元左右，分别是碳毡和石墨电极成本的和4%。此外，半焦电 极质轻，填充密度约0. 6t/m3，比石墨低60%，因而减小了反应器堵塞后反冲过程中的能耗。
具体实施例方式实施例1将粒径为2 5mm的半焦和石墨颗粒以及边长IOmm左右的碳毡方块分别填充 至3个平板型微生物燃料电池的阳极室中。阳极室和阴极室的体积为IOOmL,每个极室的 厚度为2cm，膜面积为50cm2。阳极室运行基质采用模拟废水，其组分为=CH3COONa 1. 64g/ L、NH4Cl 1. 5g/L、Κ2ΗΡ043· 4g/L、ΚΗ2Ρ044· 4g/L、CaCl2O. lg/L、MgCl2O. lg/L。阴极溶液为 K3[Fe (CN)6] 12. 45g/L、K2HP043 . 4g/L、KH2P044. 4g/L。阳极接种源来自正常运行的同类反应 器。阳极设置外部循环瓶，采用间歇运行方式，每3天更换一次阴、阳极溶液。反应器在室 温下运行。在1000Ω外阻下启动，待输出电压稳定后逐渐降低外阻，每个外阻下运行两个周期(每周期3天)，从而获得3个反应器的极化曲线，并计算最大功率密度。结果表明分 别填充3种阳极材料的反应器均在10天左右完成启动。基于阳极溶液体积计算，半焦、石 墨和碳毡反应器的最大功率密度分别为23. 8W/m3、26. lff/m3和27. 9W/m3。实施例2将粒径为2 5mm的半焦和石墨颗粒以及边长IOmm左右的碳毡方块分别填充至 3个平板型微生物燃料电池的阴极室中。阳极室填料均为IOmm左右的碳毡方块。反应器 构型和阳极运行基质组分同例1。阴极室运行基质组成为NaHCO3L 90g/L、NH4Cl 1. 5g/L、 K2HP043. 4g/L、KH2P044. 4g/L、CaCl2O. lg/L、MgCl2O. lg/L。阳极和阴极接种源来自正常运行 的同类反应器。阳极和阴极均设置外部循环瓶，阴极循环瓶内曝气充氧。采用间歇运行方 式，每3天更换一次阴、阳极溶液。反应器在室温下运行。在1000Ω外阻下启动，待输出 电压稳定后逐渐降低外阻，每个外阻下运行两个周期(每个周期3天)。从而获得3个反 应器的极化曲线，并计算最大功率密度。结果表明分别填充3种阳极材料的反应器均在15 天左右完成启动。基于阳极溶液体积计算，半焦、石墨和碳毡反应器的最大功率密度分别为 20. lff/m3U4. 4ff/m3 和 17. 7W/m3。
权利要求
1.一种微生物燃料电池半焦电极，其特征在于，所述电极由粒径为2 5mm的半焦颗粒 组成。
2.一种微生物燃料电池半焦电极的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行(1)将市售的由褐煤低温干馏而成的半焦块进行机械破碎，并筛分出粒径2 5mm的半 焦颗粒；(2)将筛分出的半焦颗粒填充至微生物燃料电池的阳极室或生物阴极型微生物燃料电 池的阴极室中，同时将石墨棒插入填料中作为引电材料。
全文摘要
本发明公开了属于废水处理技术领域的一种微生物燃料电池填料型半焦电极及其制备方法。该半焦电极是利用市售的块状半焦，经机械破碎和筛分成粒径2～5mm的半焦颗粒后在微生物燃料电池腔体中堆填而成。本发明采用半焦作为阳极材料时，最大产电功率密度仅比目前常用的碳毡和石墨分别低14.7％和8.8％；半焦作为阴极材料时，最大产电功率密度比目前常用的碳毡和石墨分别高13.6％和39.6％。该半焦电极成本极其低廉，制作方法简单，填充密度低。
文档编号H01M4/88GK102122716SQ20111002601
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者梁鹏, 魏锦程, 黄霞 申请人:清华大学