专利名称：一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环保和新能源领域，具体地指一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置。
背景技术：
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，以下简称MFC)遵循生物电化学作用原理，通过微生物将污水中污染物降解，并直接将污染物中的化学能转化为电能。该技术为废弃物处理和可再生能源生产提供了一条优良途径，在废水处理、固体废弃物处置、污染环境修复、环境传感器应用等方面具有十分广阔的发展前景(杨永刚，孙国萍，许玫英. 2010.微生物燃料电池在环境污染治理中的应用进展，微生物学报.50(7): 847-852;黄丽萍，成少安.2010.微生物燃料电池生物质能利用现状与展望.生物工程学报，26(7): 942-949)。目前公知的微生物燃料电池装置，依据构型主要分为单室式和双室式两大类。其中，双室式微生物燃料电池装置主要由阳极槽(Anode)、阴极槽(Cathode)和选择性透过膜 (Selective membrane)三部分构成(孔令才，周顺桂，赵华章等.厌氧折流板式微生物燃料电池堆影响因素研究.环境工程学报，2010,4(1): 2146)，工作原理是阳极微生物通过厌氧呼吸或发酵作用分解有机物，释放出电子，然后传递到阴极，并在生物或非生物催化作用下完成电子受体(如氧气、硝酸盐等)的还原反应，并源源不断地产生电流。目前公知的微生物燃料电池装置的阳极槽主要有两类，一类是主要由产电微生物混合液、阳极电极等组成，另一类是由高等植物、阳极电解液、阳极电极等组成。目前公知的微生物燃料电池装置的阴极槽主要有两类，一类是主要由阴极电解液、阴极电极组成，另一类是由低等植物、阴极电解液、阴极电极等组成。公知的微生物燃料电池装置的选择性透过膜主要是质子交换膜、反渗透膜或离子交换膜等半渗透性分离膜。目前公知的由高等植物构成阳极槽(半电池)的MFC，由Strik所在课题组2008年首次报道(Strik, D. P. B. T. B. , Hamelers, H. V. M. , Snel, J. F. H. , Buisman, C. J. N., 2008. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research, 32(9) : 870 876)。该课题组先后研究了四种不同类型的大型水生植物为电池阳极构建的MFC的产电特性、植物生长以及微生物群落，在仅仅2 3年之内，最大产电功率就由2008年的33mW/m2提高到2010年的 222mW/m2，增长了 6 7倍。该课题组研究认为大型水生植物一微生物燃料电池最大产电功率理论上还应该可以增长上10倍之多，极有可能成为一种可持续产生绿色电能的实用技术。其初衷是为了更高效的利用太阳能，基本方法是通过构建异养细菌一植物原位微生物燃料电池，可以在不收割植物的前提下，结合光合作用，利用太阳能，源源不断的产生生物电流清洁能源。目前公知的由低等植物构成阴极槽(半电池)的MFC，由i^eng Yujie等研究(Xin Wang, Yujie Feng, Jia Liuj He Leej Chao Li，Nan Li，Nanqi Ren. 2010. Sequestration of CO2 discharged from anode by algal cathode in microbial carbon capture cells (MCCs). Biosensors and Bioelectronicsj 2010(25): 2639 - 2643)。该 MFC以低等水生植物小型藻类如蓝藻、绿藻等为生物阴极，其主要目的是通过藻类光合作用向好氧型生物阴极提供氧气或者还原捕获C02。由此可知，目前利用水生植物构建的微生物燃料电池装置，一类是将高等植物根区作为电池的阳极槽系统，目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料投加问题；另一类是直接将低等水生植物藻类(如蓝藻、绿藻)构建生物阴极型微生物燃料电池装置，其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池装置而还原C02。由于现有微生物燃料电池需要用到昂贵的选择性透过膜和钼、金等贵金属电极材料，所以成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其无需使用选择性透过膜和贵金属电极，制造成本低，且去污效率和产电功率不逊于传统微生物燃料电池。为解决上述技术问题，本发明提供的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极槽和阳极槽，其特别之处在于所述阴极槽和阳极槽通过分离器分隔，所述分离器呈下部开有通孔的板状；所述阴极槽内设有阴极电解液和阴极电极，所述阳极槽内设有阳极电解液和阳极电极，阳极电极、外用电阻和阴极电极依次通过导线连接；所述阴极槽和阳极槽上部与空气接触处分别种植有高等水生植物。上述技术方案中，所述分离器下端的通孔为广100排，每排通孔为广1000个，通孔的孔径为广200mm。上述技术方案中，所述高等水生植物为水甜茅、大米草、野古草、花叶芦荻、美人蕉、菖蒲、芦苇、象草中的至少一种。上述技术方案中，所述阴极电极为多孔导电材质的电极。进一步地，所述阴极电极为碳材料或泡沫镍材质的电极。上述技术方案中，所述阳极电极为碳材料、导电聚合物、纳米线、导电聚合物/碳纳米管复合材料或不锈钢网材质的电极。进一步地，所述碳材料为碳纸、碳布、碳刷、碳颗粒、碳毡、活性碳纤维、碳纳米管中的一种。上述技术方案中，所述阴极槽和阳极槽内还设有填料，所述填料为非金属矿物材料、活性炭颗粒或固体废弃物中的至少一种。本发明的有益效果在于(1)高等水生植物的种植成本很低，且整个装置无需采用价格高昂的选择性透过膜和传统的负载贵金属如钼、金等阴极电极材料，极大地降低了制造成本；(2)该装置应用于污水处理等污染物净化工作时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好；(3)阴极槽和阳极槽均种植有高等水生植物，能够充分利用太阳能，其产电功率高，更好地实现了资源可再生利用；(4)非金属矿物材料、活性炭颗粒或固体废弃物等填料的设置，一方面可为微生物提供载体，另一方面具有吸附作用，能够进一步净化污水。
图1为本发明一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置一个实施例的结构示意图。图中1 一阴极槽，2—阳极槽，3—分离器，4一导线，5—外用电阻，6—高等水生植物，7—填料，8—阴极电极，9一阳极电极。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的三个具体实施例作进一步的详细描述。如图1所示，本发明的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置包括阴极槽1、阳极槽2、分离器3、导线4、外用电阻5和高等水生植物6。阴极槽1为空腔，腔内装有填料7、阴极电解液和阴极电极8，上部与空气接触处种植有高等水生植物6。阳极槽 2也为空腔，腔内装有填料7、阳极电解液和阳极电极9，上部与空气接触处也种植有高等水生植物6。阴极槽1和阳极槽2内种植的高等水生植物6可以相同，也可以不同。阴极槽1 和阳极槽2由分离器3分隔，分离器3呈下端开有通孔的板状，根据整个微生物燃料电池装置的规格，通孔可设置广100排，每排通孔为广1000个，通孔的孔径为广200mm，用于质子的通过。导线4依次将阴极电极8、外用电阻5和阳极电极9连接。从阳极槽2上部加入污水或其他有机废弃物如污泥等后，该装置可对污水或有机废弃物进行处理并持续产生电能。为了能够充分利用太阳能，上述高等水生植物6为植物界中不包含蓝藻、绿藻等小型藻类的其他所有水生植物，优选水甜茅(Glyceria maxima)、大米草(Spartina anglica)>|f^"#(Arundinella anoma 1 a)>^Bf^(Arundo don￡ix)、_入·、寸。上述填料7为非金属矿物材料、活性炭颗粒或固体废弃物中的一种或一种以上； 阴极电极8由各种天然或人工制造的多孔导电材料制成，如碳材料或泡沫镍材质。阳极电极9由碳材料、导电聚合物、各种纳米线、导电聚合物/碳纳米管复合材料或不锈钢网材质制成。上述碳材料为碳纸、碳布、碳刷、碳颗粒、碳毡、活性碳纤维、碳纳米管中的一种。以下对一个规模为1200 m 7 d居住区污水回用工程分别采用公知的厌氧生物反应器和本发明的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。比较例1 (公知的厌氧生物反应器)
该厌氧生物反应器高1. 5米，有机物去除效率为85%，沼气产率0. 48，处理单位水量的能耗为 0. 60k W · h / m 3。实施例1 (本发明的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置) 阴极槽1和阳极槽2的高度均为1. 5米，分离器3采用PVC材料制成，其底部开有50
排通孔，每排100个通孔，孔径100mm。阴极槽1中种植有菖蒲，阳极槽2中种植有美人蕉。 阴极槽1和阳极槽2内设有相同的填料7，从装置底部向上30mm设置大颗粒沸石，中部填充小颗粒石头，上部填充石英砂，用量比(重量)约为3:2:1。阴极电极8和阳极电极9均为碳毡材质。经检测，上述微生物燃料电池装置处理单位水量的能耗为0. 36k W · h / m 3，有机物去除效率90%以上，且联产电量0. 0Γ3. 980k W · h / m 3。
比较得出利用本发明的微生物燃料电池装置处理单位出水水量的污水，能够比公知的厌氧生物反应器多产近40%的电量，促进了节能减排。以下对一个规模为100 m 7 d农村生活污水处理工程分别采用公知的好氧生物反应器和本发明的第二种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。比较例2 (公知的好氧生物反应器)
该好氧生物反应器高1. 5米，有机物去除效率为85%，处理单位水量的能耗为1. Ok W · h / m 3。实施例2 (本发明的第二种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置) 阴极槽1和阳极槽2的高度均为1米，分离器3采用PE材料制成，其底部开有10排通
孔，每排100个通孔，孔径100mm。阴极槽1中种植有芦苇，阳极槽2中种植有花叶芦荻。阴极槽1和阳极槽2内设有相同的填料7，从装置底部向上30mm设置大颗粒木炭，中部填充小颗粒石头，上部填充石英砂，用量比(重量)约为3 2 :1。阴极电极8和阳极电极9均为碳纸材质。经检测，上述微生物燃料电池装置处理单位水量的能耗为0.业W · h / m 3，有机物去除效率85%以上，且联产电量0.广3k W · h / m 3。比较得出利用本发明的微生物燃料电池装置处理单位出水水量的污水，能够具有0.广3k W · h / m 3产能，比公知好氧生物反应器(不产能)的性能显著优越，促进了节能减排。以下对一个规模为100 m 7 d城市污水处理厂剩余污泥处理工程分别采用公知的污泥消化池和本发明的第三种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。比较例3 (公知的污泥消化池)
该污泥消化池高3. 5米，污泥减量效率为85%，处理单位污泥的能耗为0.池W · h / m 3， 沼气产率0. 58。实施例3 (本发明的第三种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置) 阴极槽1和阳极槽2的高度均为1. 8米，分离器3采用PP材料制成，其底部开有30排
通孔，每排100个通孔，孔径60mm。阴极槽1中种植有象草，阳极槽2中种植有野古草。阴极槽1和阳极槽2内设有相同的填料7，从装置底部向上30mm设置大颗粒砾石，中部填充颗粒活性炭，上部填充石英砂，用量比约为1 :3 :1。阴极电极8为泡沫镍材质，阳极电极9为碳纳米管材质。经检测，上述微生物燃料电池装置处理单位污泥量的能耗为0.业W · h / m 3，有机物去除效率85%以上，且联产电量0. 2 3. 6k W · h / m 3。比较得出利用本发明的微生物燃料电池装置处理单位污泥，能够比公知的污泥消化池多产近20%的电量，促进了节能减排。本发明的核心在于在阴极槽1和阳极槽2上部与空气接触处均种植高等水生植物 6，从而改变了阴极槽1和阳极槽2的分隔方式和电极材料，大大降低了成本，且使整个电池装置能够充分利用植物吸收太阳能，提升电池装置的污染净化能力及产电性能。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
权利要求
1.一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极槽(1)和阳极槽(2)， 其特征在于所述阴极槽(1)和阳极槽(2)通过分离器(3)分隔，所述分离器(3)呈下部开有通孔的板状；所述阴极槽(1)内设有阴极电解液和阴极电极(8)，所述阳极槽(2)内设有阳极电解液和阳极电极(9)，阳极电极(9)、外用电阻(5)和阴极电极(8)依次通过导线(4) 连接；所述阴极槽(1)和阳极槽(2)上部与空气接触处分别种植有高等水生植物(6)。
2.根据权利要求1所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述分离器(3)下端的通孔为广100排，每排通孔为广1000个，通孔的孔径为广200mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置， 其特征在于所述高等水生植物(6)为水甜茅、大米草、野古草、花叶芦荻、美人蕉、菖蒲、芦苇、象草中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述阴极电极(8)为多孔导电材质的电极。
5.根据权利要求4所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述阴极电极(8)为碳材料或泡沫镍材质的电极。
6.根据权利要求5所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述碳材料为碳纸、碳布、碳刷、碳颗粒、碳毡、活性碳纤维、碳纳米管中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述阳极电极(9)为碳材料、导电聚合物、纳米线、导电聚合物/碳纳米管复合材料或不锈钢网材质的电极。
8.根据权利要求7所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述碳材料为碳纸、碳布、碳刷、碳颗粒、碳毡、活性碳纤维、碳纳米管中的一种。
9.根据权利要求1或2所述的一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于所述阴极槽(1)和阳极槽(2)内还设有填料(7)，所述填料(7)为非金属矿物材料、活性炭颗粒或固体废弃物中的至少一种。
全文摘要
一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置，属于环保和新能源领域，它包括阴极槽和阳极槽，其特别之处在于阴极槽和阳极槽通过分离器分隔，分离器呈下部开有通孔的板状；阴极槽内设有阴极电解液和阴极电极，阳极槽内设有阳极电解液和阳极电极，阳极电极、外用电阻和阴极电极依次通过导线连接；阴极槽和阳极槽上部与空气接触处分别种植有高等水生植物。本发明中，高等水生植物的种植成本很低，且整个装置无需采用价格高昂的选择性透过膜和传统的负载贵金属如铂、金等阴极电极材料，极大地降低了制造成本；该装置应用于污水处理等污染物净化工作时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好，且充分利用了太阳能，产电功率高。
文档编号H01M8/16GK102263279SQ20111018747
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者吴振斌, 夏世斌, 潘蓉 申请人:武汉理工大学