填料型植物电极的微生物燃料电池装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室、阳极室、导线、外用电阻和水生植物；所述阴极室内设有阴极电极和阴极电解液；所述阳极室内设有阳极电极和阳极电解液；所述阴极电极和阳极电极通过导线分别连接到外用电阻的两端；所述阴极室和阳极室上部与空气接触处均种有水生植物；所述阴极室和阳极室内均设有填料，阴极室与阳极室之间通过质子交换膜分隔。本发明成本低廉，应用于污水处理和污染物净化时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好；能有效利用废弃生物质能。
【专利说明】填料型植物电极的微生物燃料电池装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于可再生能源领域，特别涉及一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,以下简称MFC)是以微生物为催化剂，通过降解有机物将化学能转化为电能的一种装置，不仅能以单一的碳水化合物作为燃料发电，还能利用各种废弃生物质的水解产物作为燃料发电，使废弃生物质的再利用成为可能。该技术是一种新概念的废物处理和能源利用方式，具有在生物质能转化和利用方面发挥重要作用的潜力，发展潜力广阔。(黄丽萍，成少安.微生物燃料电池生物质能利用现状与展望.生物工程学报.2010，26 (7): 942-949 ;Venkata Mohan, Chandrasekhar.Solid phasemicrobial fuel cell (SMFC) for harnessing bioelectricity from composite foodwaste fermentation:1nfluence of electrode assembly and buffering capacity.Bioresource Technology.2011,102 (14): 7077-7085.)。
[0003]根据反应器的构型不同，微生物燃料电池装置主要分为单室式、双室式两大类，双室MFC又可分为矩形式、双瓶式、平板式、上流式等(宋天顺，晏再生，胡颖等.沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展.现代化工.2009, 29 (11): 15-19)，工作原理是阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质(葡萄糖等)，产生电子和质子。电子传递到阳极，再经由外电路到达阴极；质子则穿过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极。在阴极室，质子、电子和氧相结合生成水。阴阳两极之间存在电位差，最高电位可达(0.5-0.8)V,这与氢燃料电池产生的电压相接近，通过对反应器的集成，可以将这样的低电压转换成较高电压，从而获得可利用的电能。
[0004]MFC可以替代生物乙醇技术利用半纤维素水解产物产生电能。半纤维素水解产物主要成分之一的木糖曾被研究者用作MFC的燃料产电。Catal等人(Catal T, Li K, Bermek
H,et al.Electricity production from twelve monosaccharides using microbialfuel cells.Journal of Power Sources, 2008, 175(1): 196 200)利用木质纤维素水解过程产生的十二种单糖做为MFC燃料产电。结果表明，MFC可有效的利用木质纤维素水解产物中的多种单糖，在产电的同时将之完全降解为C02。因此，木质纤维素的利用与MFC的结合，将促进生物质的多元利用。
[0005]梁鹏等人(梁鹏，范明志，曹效鑫等，填料型微生物燃料电池产电特性的研究.环境科学.2008, 29(2):512-517)将石墨和碳毡作为阳极填料组装成填料型微生物燃料电池，其启动期在Id左右。碳毡作为填料时，微生物燃料电池的最大产电功率密度为1502mW/m2(37.6W/m3)。将碳毡与碳纸烧结一体以提高填料型微生物燃料电池阳极的导电性，与平板型微生物燃料电池相比，其面积内阻从0.071 Ω.m2下降到0.051 Ω.πι2，最大电流密度从3000mA上升到8000mA，最大产电功率密度从1100mW/m2(27.5ff/m3)上升到2426mW/m2 (60.7ff/m3)，阳极电势平均下降100mV。填料型微生物燃料电池在外电阻为600 Ω下长期稳定运行30d以上，其库仑效率约为10.6%。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种依靠水生植物生长直接产电，且用于污水或废弃物处理时，具有污染物净化效果好、成本低、运行维护简单、可再生性强、可直接产生电能等特点的填料型植物电极的微生物燃料电池装置。
[0007]实现本发明目的的技术方案是:一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室、阳极室、导线、外用电阻和水生植物；所述阴极室内设有阴极电极和阴极电解液；所述阳极室内设有阳极电极和阳极电解液；所述阴极电极和阳极电极通过导线分别连接到外用电阻的两端；所述阴极室和阳极室上部与空气接触处均种有水生植物；所述阴极室和阳极室内均设有填料，阴极室与阳极室之间通过质子交换膜分隔。
[0008]上述技术方案所述阳极电解液为废弃秸杆生物质水解液。
[0009]上述技术方案所述阴极电解液可以是废弃秸杆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐。
[0010]上述技术方案所述填料从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂。
[0011]上述技术方案所述水生植物可以为水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲、象草中的一种或两种或两种以上。
[0012]上述技术方案所述阴极电极和阳极电极均为为石墨毡、碳纸、碳布中的一种或两种或二种。
[0013]上述技术方案所述阴极室和阳极室均为圆筒状。
[0014]采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果:(1)成本低廉:水生植物种植成本很低，无需价格高昂的负载贵金属如钼、金等阴极电极材料，价格低廉，性能优良；(2)该装置应用于污水处理和污染物净化时，运行周期长、维护简单、去污能力强、污染物降解效果好；(3)该装置应用废弃生物质水解产物为阳极底物不仅能生产清洁能源-电能，同时还能有效利用废弃生物质能；(4)阴、阳极室颗粒活性炭填料的设置，不仅具有吸附作用，净化污水，同时还能为微生物提供载体，增大产电量，但不影响水生植物的生长。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0016]图1为本发明的结构示意图；
[0017]图中1.阴极室，11.阴极电极，2.阳极室，21.阳极电极，3.导线，4.外用电阻，
5.水生植物，6.填料，7.质子交换膜。
【具体实施方式】
[0018](实施例1)
[0019]见图1，本发明包括阴极室1、阳极室2、导线3、外用电阻4和水生植物5;阴极室I和阳极室2均为圆筒状，阴极室I内设有阴极电极11和阴极电解液；阳极室2内设有阳极电极21和阳极电解液；阴极电极11和阳极电极21通过导线3分别连接到外用电阻4的两端；阴极室I和阳极室2上部与空气接触处均种有水生植物5 ;阴极室I和阳极室2内均设有填料6，填料6从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂，阴极室I与阳极室2之间通过质子交换膜7分隔。从阳极室2底部加入废弃生物质水解液或者污水等后，该装置可以对废弃生物质进行利用并持续产生电能。
[0020]上述阳极电解液为废弃秸杆生物质水解液；阴极电解液可以是废弃秸杆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐；阴极电极11和阳极电极21均为石墨毡、碳纸或碳布中的一种或两种或三种。
[0021]水生植物5为植物界中不包含蓝藻、绿藻等小型藻类的其他所有植物，水生植物5
优选水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲或象草等。
[0022]以下对一个规模为1000 m 3/ 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新的填料型微生物燃料电池装置进行了初步的能耗分析和比较。
[0023]比较例I (公知的厌氧生物反应器)
[0024]该生物反应器高1.2米，有机物去除效率为82%，沼气产率0.45，处理单位水量的能耗为 0.55k W.h / m 3。
[0025]实施例1 (本发明的第一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置):
[0026]阴极室I和阳极室2的高均为I米，，圆柱底面直径为200mm，体积为31.4m3。阳极室2中栽种美人蕉，阴极室I中栽种菖蒲。阴极室I和阳极室2装有相同填料6，从反应器底部向上IOmm装入大颗粒废石，中部填充活性炭，上部分填充小颗粒石头石英砂，用量t匕(体积)为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均使用石墨毡。
[0027]经监测，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0.01-3.980k W.h / m 3。
[0028]比较得出:利用本发明的新型微生物燃料电池装置处理单位出水水量的能耗比公知的厌氧生物反应器多产1-40%的能量，促进了节能减排。
[0029]以下对I万吨秸杆废弃物分别采用直接燃烧和本发明的以秸杆废弃物水解液为阳极底物的燃料电池装置进行初步的能耗分析和比较。
[0030]比较例2 (秸杆燃烧处理):
[0031]目前，在全国大部分农村地区，秸杆废弃物进行直接燃烧处理，能源利用率低且污染大气。
[0032]实施例2 (本发明的第二种填料型植物电极的微生物燃料电池装置):
[0033]阴极室I和阳极室2高度均为I米，阴极室I中种植象草，阳极室2种植美人蕉。阴极室I和阳极室2内设有相同的填料6，从装置底部向上IOmm装入大颗粒石头，中部填充颗粒活性炭，上部填充石英砂，用量比(体积)约为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均为
石墨毡。
[0034]经检测，上述微生物燃料电视装置处理单位秸杆量的能耗为0.1kff -h/ m3,且联产电量 0.1 ?2 kff.h/ m3。
[0035]比较得出:利用本发明的微生物燃料电池装置处理秸杆水解液，能够具有0.1?2kff.h/ m3产能,环保节能。
[0036]以下对一个规模为10000m3/d城市污水分别采用污水处理厂和本发明的第三种填料型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。[0037]比较例3 (城市污水处理厂):
[0038]该污水处理厂日处理污水量为IOOOOmVd,有机物去除效率为80%，处理单位水量的能耗为2 kW.h/ m3。
[0039]实施例3 (本发明的第三种填料型植物电极的微生物燃料电池装置):
[0040]阴极室I和阳极室2的高度均为1.2米，处理污水的体积为100 m3。阴极室I中种植菖蒲，阳极室2中种植芦苇。阴极室I和阳极室2内设有相同的填料6，从装置底部向上IOmm设置大颗粒砾石，中部填充颗粒活性炭，上部填充石英砂和细砂，用量比(体积)约为1:3:2。阴极电极11和阳极电极21均使用石墨毡。
[0041]经检测，上述微生物燃料电池装置处理单位污水的能耗为0.15 kff *h/ m3,有机物去除效率达87%以上，有较强的脱氮能力，且联产电量0.3-2.8 kff.h/ m3。
[0042]比较得出:利用本发明的微生物燃料电池装置处理污水，不仅有产电量，而且污水处理效果好，脱氮能力强，促进了节能减排。
[0043]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种填料型植物电极的微生物燃料电池装置，包括阴极室(I)、阳极室(2)、导线(3 )、外用电阻(4 )和水生植物(5 );所述阴极室(I)内设有阴极电极(11)和阴极电解液；所述阳极室(2)内设有阳极电极(21)和阳极电解液；所述阴极电极(11)和阳极电极(21)通过导线(3)分别连接到外用电阻(4)的两端；所述阴极室(I)和阳极室(2)上部与空气接触处均种有水生植物(5);其特征在于:所述阴极室(I)和阳极室(2)内均设有填料(6)，阴极室(I)与阳极室(2 )之间通过质子交换膜(7 )分隔。
2.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于:所述阳极电解液为废弃秸杆生物质水解液。
3.根据权利要求2所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于:所述阴极电解液可以是废弃秸杆生物质水解液、生活废水、工厂废水、葡萄糖或醋酸盐。
4.根据权利要求1或3所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于:所述填料(6)从下到上依次为石头、颗粒活性炭、细石和石英砂。
5.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于:所述水生植物(5)可以为水甜茅、大米草、野古草、美人蕉、菖蒲、象草中的一种或两种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的填料型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(11)和阳极电极(21)均为石墨毡、碳纸、碳布中的一种或两种或三种。
7.根据权利要求1所述的填料型植物电极的微生物燃料电池装置，其特征在于:所述阴极室(I)和阳极室(2)均为圆筒状。
【文档编号】H01M8/02GK103811790SQ201210442381
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】滕加泉, 潘蓉, 李昌, 邓文英, 夏世斌, 陈玲, 陆森森 申请人:江苏常环环境科技有限公司