专利名称：一种硝化微生物燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微生物燃料电池，尤其是一种硝化微生物燃料电池。
技术背景 在上世纪，化石燃料支撑了全球经济的发展，但化石燃料不可再生，将在未来100年或稍长时间内耗竭。在能源利用中，“开源节流”工作已现实地摆在人们面前。生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是以酶或微生物作为催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。MFC技术具有原料来源广泛，基质转变为电能，操作条件温和，运行成本较低，不产生有害气体等诸多优点，被公认为极具开发前景的绿色可再生能源利用技术。通常把氨氧化为亚硝酸盐或硝酸盐的生物反应称为生物硝化作用，简称为硝化作用(nitrification)。硝化作用是一个序列反应，先由氨氧化菌把氨氧化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。硝化工艺(nitrification process)是通过工程措施，利用自养型硝化菌的作用将废水中的氨氧化为硝酸盐的处理方法。硝化工艺诞生于20世纪中叶，随着研究的深入和应用的普及，硝化工艺的类型不断增多，处理效能不断提高，已经成为一项重要的废水生物脱氮技术。氨是硝化作用的基质，处于最高还原态，在作为电子供体被氧化为硝酸盐的过程中，共释放8个电子。其中2个电子用于羟胺合成过程，以启动氨氧化反应，其余电子通过氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的呼吸链传递给末端氧化酶，最终传递给氧；并在电子传递过程中实现氧化磷酸化，合成ATP。由此可知，氨与有机物一样，是生物反应的电子供体和生物生长的能源物质；作为硝化反应催化剂的氨氧化菌和亚硝酸氧化菌，具有与异养型产电微生物相似的电子介体和电子传递链。然而迄今为止，所见的MFC主要以有机物为能源，罕见以无机物为能源的MFC ;特别是基于硝化作用的MFC，目前仅有个别报道，而且所报道的MFC存在着电池结构复杂、操作条件苛刻、电池性能较差、能源利用率低下等缺陷。针对现有微生物燃料电池的上述缺陷，本实用新型以氨氧化菌和亚硝酸氧化菌为产电菌，实现了以无机物氨为燃料的产电；产电基质为无机离子，电池内阻低，产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置；阳极室内设有内循环硝化反应器，所构建的双室型硝化微生物燃料电池结构简单，操作条件温和，阳极室反应器仅部分区域曝气，既能提供启动氨氧化反应所需要的溶解氧，又能防止氧浓度过高，导致电子损失；以强氧化剂高锰酸钾为阴极液，阴极电势高，电池性能较好，能源利用率较高。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种硝化微生物燃料电池。硝化微生物燃料电池由阳极室、阴极室和质子交换膜组成；阳极室和阴极室中间设有质子交换膜并通过法兰连接；阳极室设有阳极室立方形反应器和密封盖，阳极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；立方形反应器下部设有进水管，立方形反应器上部设有出水管，立方形反应器中部设有曝气区、反应区和隔离板，曝气区和反应区由隔离板分开，上下连通并充注产电基质；产电基质中放置硝化菌挂膜阳极，反应区顶部密封盖上设有阳极导线固定管；曝气区底部设有布气管；阴极室设有阴极室立方形反应器和密封盖，阴极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；阴极室立方形反应器下部设有进水管，阴极室立方形反应器上部设有出水管，阴极室立方形反应器浸有阴极液；立方形反应器阴极液中放置阴极，顶部密封盖上设有阴极导线固定管。[0007]所述的产电基质为含有氯化铵的无机废水，pH值为8. (Γ8. 5，其中添加2. O g/L KHC03、0. 35 g/L Κ2ΗΡ04、0·35 g/L Na2HPO4 和 O. 25 mL/L 无机盐溶液；无机盐溶液成分为 CaCl2. 2Η20，7· 34 g/L ；MgCl2. 6Η20，25· 07 g/L ；FeCl3. 6Η20，4· 8 g/L ；MnCl2. 4H20,1. 03 g/L ； ZnCl2. 2H20，0. 01 g/L ；CuCl2. 2H20，0. 112 g/L ；NaMoO4. 2H20，0. 0025 g/L。[0008]所述的阴极液为高锰酸钾溶液，pH值为6. 9 7. 1，其中添加O. 2 g/L ΚΜη04、0· 35 g/L K2HPO4 和 O. 35 g/L Na2HPO4。[0009]所述的阳极室立方形反应器和阴极室立方形反应器大小尺寸一样，长宽高比为 2. O :1. O :2. O ;所述的产电基质体积占阳极室立方形反应器体积的2/3 3/4 ;所述的阳极室立方形反应器中部曝气区和反应区横截面之比为1. O :2. O ;所述的阳极室立方形反应器中部隔离板上端较出水管低1. O cm，下端较阳极室立方形反应器底部高1. O cm;所述的阴极液体积占阴极室立方形反应器体积的2/3 3/4。[0010]所述的硝化菌挂膜阳极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，表面附着有硝化菌生物膜，挂膜阳极下端距离阳极室立方形反应器底部为cm，挂膜阳极表面积与阳极室立方形反应器体积之比为1(T40 m2l m3;所述的阴极导电材料为石墨棒，阴极表面积与阴极室立方形反应器体积之比为Γ10 m2l m3。[0011]本实用新型与现有技术相比的有益效果是1)以无机物为燃料，利用氨氧化菌和亚硝酸氧化菌进行废水脱氮和生物产电，可同时实现废水污染控制和产电。2)产电基质为无机离子，电池内阻低，产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置。3)阳极室设有内循环硝化反应器，所构建的双室型硝化微生物燃料电池结构简单，操作条件温和，阳极室反应器仅部分区域曝气，既能提供启动氨氧化反应所需要的溶解氧，又能防止氧浓度过高，导致电子损失。4)以强氧化剂高锰酸钾为阴极液，阴极电势高，电池性能较好，能源利用率较高。
[0012]图1是硝化微生物燃料电池结构示意图；[0013]图2是图1的A-A截面图；[0014]图中阳极室1、阴极室I1、质子交换膜III ;密封盖1、阳极室立方形反应器2、曝气区3、反应区4、隔离板5、进水管6、出水管7、布气管8、挂膜阳极9、阴极10、法兰11、法兰12、产电基质13、阴极室立方形反应器14、阴极液15、阳极导线固定管16、密封盖17、阴极导线固定管18、法兰19、进水管20、出水管21。
具体实施方式
[0015]如图1、2所示， 硝化微生物燃料电池由阳极室1、阴极室II和质子交换膜III组成；阳极室I和阴极室II中间设有质子交换膜III并通过法兰12连接；阳极室I设有阳极室立方形反应器2和密封盖1，阳极室立方形反应器2和密封盖I之间通过法兰11连接；立方形反应器2下部设有进水管6，立方形反应器上部设有出水管7，立方形反应器中部设有曝气区3、反应区4和隔离板5，曝气区3和反应区4由隔离板5分开，上下连通并充注产电基质13 ;产电基质13中放置硝化菌挂膜阳极9，反应区顶部密封盖I上设有阳极导线固定管16 ;曝气区3底部设有布气管8 ;阴极室II设有阴极室立方形反应器14和密封盖17，阴极室立方形反应器14和密封盖17之间通过法兰19连接；阴极室立方形反应器14下部设有进水管20，阴极室立方形反应器14上部设有出水管21，阴极室立方形反应器14浸有阴极液15 ;立方形反应器阴极液15中放置阴极10，顶部密封盖17上设有阴极导线固定管18。所述的产电基质13为含有氯化铵的无机废水，pH值为8. (Γ8. 5，其中添加2. O g/LKHC03、0. 35 g/L Κ2ΗΡ04、0. 35 g/L Na2HPO4 和 0. 25 mL/L 无机盐溶液；无机盐溶液成分为CaCl2. 2Η20，7· 34 g/L ；MgCl2. 6Η20，25· 07 g/L ；FeCl3. 6Η20，4· 8 g/L ；MnCl2. 4H20,1. 03 g/L ；ZnCl2. 2H20，0. 01 g/L ；CuCl2. 2H20，0. 112 g/L ；NaMoO4. 2H20，0. 0025 g/L。所述的阴极液15为高锰酸钾溶液，pH值为6. 9^7. 1，其中添加O. 2 g/L ΚΜη04、0. 35g/L K2HPO4 和 O. 35 g/L Na2HPO4。所述的阳极室立方形反应器2和阴极室立方形反应器14大小尺寸一样，长宽高比为2. O :1. O :2. O ;所述的产电基质13体积占阳极室立方形反应器2体积的2/3 3/4 ;所述的阳极室立方形反应器2中部曝气区3和反应区4横截面之比为1. O 2. O ;所述的阳极室立方形反应器2中部隔离板5上端较出水管(7)低1.0 cm，下端较阳极室立方形反应器
(2)底部高1. O cm ;所述的阴极液15体积占阴极室立方形反应器14体积的2/3 3/4。所述的硝化菌挂膜阳极9的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，表面附着有硝化菌生物膜， 挂膜阳极9下端距离阳极室立方形反应器2底部为f 2 cm，挂膜阳极9表面积与阳极室立方形反应器2体积之比为1(T40 m2l m3 ;所述的阴极10导电材料为石墨棒，阴极10表面积与阴极室立方形反应器14体积之比为Γ10 m2 1 m3。当硝化微生物燃料电池接通外电路后，开始曝气，阳极室立方形反应器曝气区中的反应液中溶入一定浓度的氧，同时反应液被气泡提升，溢过隔离板顶部进入反应区；阳极上的硝化菌利用反应液中有限的溶解氧启动氨氧化反应生成羟胺，羟胺进一步转化为亚硝酸盐和硝酸盐，释放的电子通过呼吸链传递给阳极，然后通过阳极导线、外电路和阴极导线将电子传递至阴极，同时硝化反应所释放的质子在电场力作用下穿过质子膜到达阴极室，电子和质子在阴极表面参与高锰酸钾的还原反应，由此完成硝化和产电过程。
权利要求1.ー种硝化微生物燃料电池，其特征在于硝化微生物燃料电池由阳极室(I)、阴极室(II)和质子交換膜(III)组成；阳极室(I)和阴极室(II)中间设有质子交換膜(III)并通过法兰(12)连接；阳极室(I)设有阳极室立方形反应器(2)和密封盖(1)，阳极室立方形反应器(2 )和密封盖(I)之间通过法兰(11)连接；立方形反应器(2 )下部设有进水管(6 )，立方形反应器上部设有出水管(7)，立方形反应器中部设有曝气区(3)、反应区(4)和隔离板(5)，曝气区(3)和反应区(4)由隔离板(5)分开，上下连通并充注产电基质(13);产电基质(13)中放置硝化菌挂膜阳极(9)，反应区顶部密封盖(I)上设有阳极导线固定管(16);曝气区(3)底部设有布气管(8);阴极室(II)设有阴极室立方形反应器(14)和密封盖(17)，阴极室立方形反应器(14)和密封盖(17)之间通过法兰(19)连接；阴极室立方形反应器(14)下部设有进水管(20)，阴极室立方形反应器(14)上部设有出水管(21)，阴极室立方形反应器(14)浸有阴极液(15);立方形反应器阴极液(15)中放置阴极(10)，顶部密封盖(17)上设有阴极导线固定管(18)。
2.根据权利要求1所述的ー种硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极室立方形反应器(2)和阴极室立方形反应器(14)大小尺寸一祥，长宽高比为2. 0 :1. 0 :2. 0 ;所述的产电基质(13)体积占阳极室立方形反应器(2)体积的2/3 3/4 ;所述的阳极室立方形反应器(2)中部曝气区(3)和反应区(4)横截面之比为1.0 :2.0 ;所述的阳极室立方形反应器(2)中部隔离板(5)上端较出水管(7)低1.0 cm，下端较阳极室立方形反应器(2)底部高1. 0 cm ;所述的阴极液(15)体积占阴极室立方形反应器(14)体积的2/3 3/4。
3.根据权利要求1所述的ー种硝化微生物燃料电池，其特征在于所述的硝化菌挂膜阳极(9)的导电材料为碳纸、碳布、碳租、石墨租或石墨板，表面附着有硝化菌生物膜，挂膜阳极(9)下端距离阳极室立方形反应器(2)底部为广2 cm，挂膜阳极(9)表面积与阳极室立方形反应器(2)体积之比为1(T40 m2l m3;所述的阴极(10)导电材料为石墨棒，阴极(10)表面积与阴极室立方形反应器(14)体积之比为4 10 m2 1 m3。
专利摘要本实用新型公开了一种硝化微生物燃料电池。它由阳极室、阴极室和质子交换膜组成；阳极室设有立方形反应器和密封盖，立方形反应器下部设有进水管，上部设有出水管，中部设有曝气区、反应区和隔离板，曝气区和反应区由隔离板分开，上下连通并充注产电基质；产电基质中放置硝化菌挂膜阳极，反应区顶部密封盖上设有阳极导线固定管；曝气区底部设有布气管；阴极室设有立方形反应器和密封盖，立方形反应器下部设有进水管，上部设有出水管，立方形反应器浸有阴极液，阴极液中放置阴极，顶部密封盖上设有阴极导线固定管。本实用新型以无机物氨为原料，结构简单，操作条件温和，内阻小，产电效能好，能源利用率高，能同时实现废水硝化和生物产电。
文档编号H01M8/16GK202888322SQ201220403849
公开日2013年4月17日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者郑平, 谢作甫, 陈慧, 厉巍, 张吉强, 蔡靖 申请人:浙江大学