一种正渗透微生物燃料电池OsMFC的快速换膜装置的制作方法

一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置
技术领域
1.本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体是一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置。


背景技术：

2.正渗透(forward osmosis，简称fo)是一种以溶液间浓度差为驱动的新型膜分离技术，它无需外加压力，仅依靠选择性渗透膜两侧存在的渗透压差为驱动力，从而实现污水中水分子的膜分离过程。微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称mfc)是以微生物作为催化剂，将微生物分解有机物或无机物所产生的化学能转化电能的电生化反应器。正渗透微生物燃料电池(osmosis microbial fuel cell，简称osmfc)是将fo与mfc进行耦合，采用fo膜代替mfc中的质子交换膜，以微生物作为催化剂，将有机物的化学能转换为电能，其中阳极室中的水分子由于两极室间渗透压差的驱动，从高渗透压侧(即阳极)透过选择性渗透膜扩散到低渗透压侧(即阴极)实现清洁水的提取，从而实现集产水与产电于一体的装置。将osmfc应用到废水处理领域，能以废水中的有机污染物为燃料直接产生电能，同时实现废水的处理以及清洁水的提取，是一种具有资源化前景的新型绿色水处理技术。
3.现有正渗透微生物燃料电池反应器构型主要有双室型与单室型两种，现有双室型osmfc将两个极室由螺丝连接固定，连接处将fo膜夹住充当分隔膜，阳极室流入待处理废水，阴极室流入汲取液，以上几部分共同组成双室型osmfc。由于膜污染以及膜通量衰减等问题，因此osmfc在运行一段时间后需要更换fo膜以保证系统产水、产电性能。现有双室osmfc反应器构型在更换fo膜时需要将两极室的液体排出，将两极室分开后取出待更换的fo膜，将新fo膜夹在两极室中间后进行组装，重新注入阳极液和阴极液，将反应器重新启动运行，其更换fo膜的过程复杂，如无需拆开反应器即可完成换膜操作，那么将会大大减少换膜步骤以及所需时间；为更换fo膜的过程需将两极室的极液排出，且换膜时交换通道消失，水分子等物质无法在两极室间进行交换，那么反应器处于停止运行的状态，则系统产水、产电停止，大大影响了系统性能。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明提供了一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置。
5.本发明的技术方案是：一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置，包括电池框架、推膜式快速换膜装置、正渗透膜组件；所述电池框架包括内部设有阳极板的阳极室、与所述阳极室相对分布且内部设有阴极板的阴极室，所述阳极板与阴极板之间通过外电路连接；
6.所述推膜式快速换膜装置包括沿电池框架宽度方向设于阳极室与所述阴极室之间且相对分布的上轨道框架和下轨道框架、设于所述上轨道框架底端处的上滑动轨道、设于所述下轨道框架上且与所述上滑动轨道相对分布的下滑动轨道，所述上滑动轨道内壁左
右两侧对称分布的两个驱动夹持件，上轨道框架内壁上端设有永磁体，所述下滑动轨道底端设有限位滑轨，上滑动轨道和下轨道框架之间形成换膜腔；
7.所述驱动夹持件包括沿所述上轨道框架左右两侧内壁的长度方向设置的两个滑动槽、设于所述滑动槽内的滑动安装板、驱动所述滑动安装板在滑动槽内滑动的电动伸缩杆、一侧与滑动安装板垂直连接且另一侧通过滑动槽可延伸至上滑动轨道内的弹性连接杆以及设于所述弹性连接杆上远离滑动安装板一侧的电磁夹持吸盘；
8.所述正渗透膜组件包括可放置于所述换膜腔内的正渗透膜主框架、正渗透膜，所述正渗透膜主框架包括上端设有与永磁体相对分布的第一电磁铁且底端设有与所述限位滑轨滑动连接的导轮的第一扣接盖板、与所述第一扣接盖板扣接的第二扣接盖板、第一扣接盖板与所述第二扣接盖板之间形成安装腔，所述正渗透膜设于所述安装腔内，第一扣接盖板和第二扣接盖板侧壁均设有与金属夹持板对应的金属片。
9.进一步地，所述上轨道框架和下轨道框架的长度尺寸至少为电池框架的宽度尺寸的3倍，上轨道框架与阳极室和所述阴极室之间、下轨道框架与阳极室和所述阴极室之间均设有橡胶密封垫片，通过限定上轨道框架和下轨道框架的尺寸以及设置橡胶密封垫片的双重作用，可起到密封防漏的作用。
10.进一步地，所述第一扣接盖板各侧壁均设有翻折边，所述翻折边可包覆在第二扣接盖板侧壁，且翻折边内壁设有耐磨片，翻折边与第二扣接盖板之间通过螺栓连接，通过将翻折边包覆在第二扣接盖板外壁，使第一扣接盖板与第二扣接盖板之间更容易分开，当需要拆卸正渗透膜时，只需要将拧松螺栓，利用翻折边将第二扣接盖板抽出即可，拆卸简单，操作方便，通过耐磨片的设置，放置翻折边与第二扣接盖板之间长期磨损，缩短正渗透膜组件整体的使用寿命。
11.进一步地，所述阳极室和阴极室上端设有盖板，阴极室内部上端均设有过滤除杂组件，所述过滤除杂组件包括设于阴极室内的支撑框架、与所述支撑框架侧壁滑动连接的过滤盘、设于支撑框架内壁且与所述过滤盘连接处设有多个负压吸盘、与所述负压吸盘连接的负压源，通过在阴极室内设置过滤除杂组件，可以有效地截留有机废水中的固体杂质，避免固体杂质粘附在电极上，导致生物附着率下降，从而降低正渗透微生物燃料电池效率，大大提高了废水的处理效果和产电性能。
12.更进一步地，所述过滤盘上设有抽拉把手，过滤盘底端设有交错分布的加强筋，当需要清理过滤盘，只需打开盖板，通过抽拉把手将过滤盘从支撑框架抽出即可，结构简单，清理方便，还可通过负压吸盘对过滤盘进行固定，增加其安装稳定性。
13.进一步地，所述电磁夹持吸盘包括与弹性连接杆连接的夹持主板、呈网格状分布且将所述夹持主板表面分隔为多个夹持区的多个分隔条、设于每个所述夹持区内的第二电磁铁，所述金属片的尺寸与夹持主板的尺寸相等，通过分隔条将夹持主板分隔为多个夹持区，且在每个夹持区内设置第二电磁铁，可使夹持主板表面的吸力分布均匀，使金属片可以均匀地吸附在夹持主板上，增加电磁夹持吸盘对正渗透膜主框架的吸附力。
14.进一步地，所述阳极室内连接有充气组件，所述充气组件包括设于阳极室内的充气盘、通过连接管与所述充气盘连接的储气罐，所述储气罐用于存储co2，储气罐与充气盘连接处均设有抽气泵，所述充气盘上端均匀设有多个充气口，每个所述充气口上端设有弧形阻隔架，通过充气盘上的充气口向阳极室内充入co2，使得阳极室处于厌氧状态，为产电
微生物提供适宜的生长条件，达到处理污水目的，同时，由于每个充气口上端设有弧形阻隔架，既能保证co2充入阳极室内，又能避免造成充气口堵塞，提高装置整体运行的可靠性。
15.更进一步地，所述储气罐上设有用于检测气压的气压表、用于向储气罐内部补压的补压阀以及用于监测储气罐内气体压力的气压报警器，保证储气罐内部气压足够和充气组件的稳定运行。
16.进一步地，所述阳极板和所述阴极板均为碳毡。
17.本发明还公开了一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置的换膜方法，包括以下步骤：
18.s1、将正渗透膜装于安装腔内，将第二扣接盖板扣接于第一扣接盖板上，并通过翻折边将第二扣接盖板侧壁包覆，利用螺栓固定；
19.s2、将上述组装好的正渗透膜组件从换膜腔一侧移入，在移入的开始，将第一扣接盖板底端的导轮放在限位滑轨内滑动，然后，向第一电磁铁通电，第一电磁铁与永磁体之间产生吸力，使正渗透膜主框架整体悬浮于换膜腔，向各第二电磁铁通电，使电磁夹持吸盘与金属片吸紧，完成正渗透膜组件的固定，此时，启动电动伸缩杆，通过电动伸缩杆推动滑动安装板在滑动槽内滑动，而电磁夹持吸盘也会同步移动，使正渗透膜组件在于第一扣接盖板无接触的情况下，在换膜腔内滑动，直至正渗透膜组件移动至阳极室与阴极室中间位置；
20.s3、向阳极室内通入污水，利用过滤除杂组件，可以有效地截留有机废水中的固体杂质，此时，阳极室内的产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳，其中，电子经外电路转移至阴极室的阴极板上，质子经由正渗透膜扩散进入阴极室，在阴极板活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水；通过抽气泵将co2通入阳极室，co2使得阳极室处于厌氧状态，从而为阳极产电微生物生长提供适宜条件；
21.s4、在需要更换正渗透膜时，仅需将另一个组装好的新的正渗透膜组件从换膜腔一侧移入，断开第一电磁铁的电源，使旧的正渗透膜组件底端的导轮落入限位滑轨内，启动电动伸缩杆，通过电动伸缩杆推动滑动安装板在滑动槽内滑动，使电磁夹持吸盘与新放入的正渗透膜组件吸附，并在换膜腔内滑动，此时，新的正渗透膜组件将需更换的旧的正渗透膜组件从换膜腔另一侧推出，至此正渗透膜更换完成，旧的正渗透膜组件取出进行清洗再生以备后续使用。
22.相对于现有技术，本发明的有益效果是：
23.(1)本发明提供了一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置，通过在阳极室和阴极室之间设置推膜式快速换膜装置，当需要更换正渗透膜时，仅将新的正渗透膜组件移动至推膜式快速换膜装置，推动新的正渗透膜将需更换的旧的正渗透膜组件从推膜式快速换膜装置另一侧挤出即可，在整个更换过程中，推膜式快速换膜装置内始终存在正渗透膜，水和质子等物质交换过程始终存在，保证了正渗透微生物燃料电池osmfc的持续运行，且本发明的换膜过程快速简便且连续，无需将电池拆开，能够同时实现产水、产电，osmfc反应器能持续运行，换膜操作对系统性能的不利影响大大降低。
24.(2)本发明通过设置驱动夹持件，对正渗透膜组件两侧进行夹持，当需要移动正渗透膜组件时，通过第一电磁铁与永磁体之间产生吸力，使正渗透膜主框架整体悬浮于换膜腔，使正渗透膜组件在于第一扣接盖板无接触的情况下，在换膜腔内滑动，大大减小了正渗透膜组件与推膜式快速换膜装置之间的摩擦力，延长了装置的使用寿命，操作简单，安全可
靠。
附图说明
25.图1是本发明的盖板关闭时的结构示意图；
26.图2是本发明的盖板打开时的结构示意图；
27.图3是本发明的内部结构示意图；
28.图4是本发明的上轨道框架与下轨道框架的连接结构示意图；
29.图5是本发明的驱动夹持件在上轨道框架上的安装结构示意图；
30.图6是本发明的电磁夹持吸盘的结构示意图；
31.图7是本发明的充气盘的结构示意图；
32.图8是本发明的正渗透膜组件的爆炸图；
33.图9是本发明的支撑框架的结构示意图；
34.其中，1-电池框架、10-阳极室、100-阳极板、11-阴极室、110-阴极板、12-外电路、13-橡胶密封垫片、14-盖板、15-充气组件、150-充气盘、151-储气罐、152-抽气泵、153-充气口、154-弧形阻隔架、155-气压表、156-补压阀、157-气压报警器、2-推膜式快速换膜装置、20-上轨道框架、200-永磁体、21-下轨道框架、22-上滑动轨道、23-下滑动轨道、230-限位滑轨、24-驱动夹持件、240-滑动槽、241-滑动安装板、242-电动伸缩杆、243-弹性连接杆、244-电磁夹持吸盘、2440-夹持主板、2441-分隔条、2442-第二电磁铁、245-夹持区、25-换膜腔、3-正渗透膜组件、30-正渗透膜主框架、300-第一扣接盖板、3000-第一电磁铁、3001-导轮、3002-金属片、301-第二扣接盖板、302-安装腔、303-翻折边、304-耐磨片、31-正渗透膜、4-过滤除杂组件、40-支撑框架、41-过滤盘、410-抽拉把手、42-负压吸盘、43-负压源。
具体实施方式
35.为了进一步了解本发明的内容，以下通过实施例对本发明作详细说明。
36.实施例1
37.如图1、2所示，一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置，包括电池框架1、推膜式快速换膜装置2、正渗透膜组件3；电池框架1包括内部设有阳极板100的阳极室10、与阳极室10相对分布且内部设有阴极板110的阴极室11，阳极板100与阴极板110之间通过外电路12连接；阳极板100和阴极板110均为碳毡；
38.如图3、4、5所示，推膜式快速换膜装置2包括沿电池框架1宽度方向设于阳极室10与阴极室11之间且相对分布的上轨道框架20和下轨道框架21、设于上轨道框架20底端处的上滑动轨道22、设于下轨道框架21上且与上滑动轨道22相对分布的下滑动轨道23，上滑动轨道22内壁左右两侧对称分布的两个驱动夹持件24，上轨道框架20内壁上端设有永磁体200，下滑动轨道23底端设有限位滑轨230，上滑动轨道22和下轨道框架21之间形成换膜腔25；
39.驱动夹持件24包括沿上轨道框架20左右两侧内壁的长度方向设置的两个滑动槽240、设于滑动槽240内的滑动安装板241、驱动滑动安装板241在滑动槽240内滑动的电动伸缩杆242、一侧与滑动安装板241垂直连接且另一侧通过滑动槽240可延伸至上滑动轨道22内的弹性连接杆243以及设于弹性连接杆243上远离滑动安装板241一侧的电磁夹持吸盘
244；
40.如图8所示，正渗透膜组件3包括可放置于换膜腔25内的正渗透膜主框架30、正渗透膜31，正渗透膜主框架30包括上端设有与永磁体200相对分布的第一电磁铁3000且底端设有与限位滑轨230滑动连接的导轮3001的第一扣接盖板300、与第一扣接盖板300扣接的第二扣接盖板301、第一扣接盖板300与第二扣接盖板301之间形成安装腔302，正渗透膜31设于安装腔302内，第一扣接盖板300和第二扣接盖板301侧壁均设有与金属夹持板244对应的金属片3002；
41.上轨道框架20和下轨道框架21的长度尺寸为电池框架1的宽度尺寸的3倍，上轨道框架20与阳极室10和阴极室11之间、下轨道框架21与阳极室10和阴极室11之间均设有橡胶密封垫片12；
42.如图6所示，电磁夹持吸盘244包括与弹性连接杆243连接的夹持主板2440、呈网格状分布且将夹持主板2440表面分隔为16个夹持区245的6个分隔条2441、设于每个夹持区245内的第二电磁铁2442，金属片3002的尺寸与夹持主板2440的尺寸相等；
43.如图3、7所示，阳极室10内连接有充气组件15，充气组件15包括设于阳极室10内的充气盘150、通过连接管与充气盘150连接的储气罐151，储气罐151用于存储co2，储气罐151与充气盘150连接处均设有抽气泵152，充气盘150上端均匀设有15个充气口153，每个充气口153上端设有弧形阻隔架154；
44.储气罐151上设有用于检测气压的气压表155、用于向储气罐151内部补压的补压阀156以及用于监测储气罐151内气体压力的气压报警器157。
45.实施例2
46.本实施例与实施例1不同之处在于：
47.如图8所示，第一扣接盖板300各侧壁均设有翻折边303，翻折边303可包覆在第二扣接盖板301侧壁，且翻折边303内壁设有耐磨片304，翻折边303与第二扣接盖板301之间通过螺栓连接。
48.实施例3
49.本实施例与实施例2不同之处在于：
50.如图1、3、9所示，阳极室10和阴极室11上端设有盖板13，阳极室10和阴极室11内部上端均设有过滤除杂组件4，过滤除杂组件4包括设于阳极室10和阴极室11内的支撑框架40、与支撑框架40侧壁滑动连接的过滤盘41、设于支撑框架40内壁且与过滤盘41连接处设有2个负压吸盘42、与负压吸盘42连接的负压源43；
51.过滤盘41上设有抽拉把手410，过滤盘41底端设有交错分布的加强筋。
52.本实施例所用的阳极板100、阴极板110、抽气泵152、气压表155、补压阀156、气压报警器157、永磁体200、电动伸缩杆242、第二电磁铁2442、第一电磁铁3000、负压吸盘42以及负压源均采用现有技术产品，本领域技术人员可根据需要进行选择，能满足本发明的技术方案即可，在此不做特殊限定。
53.实施例1-3的一种正渗透微生物燃料电池osmfc的快速换膜装置的换膜方法，包括以下步骤：
54.s1、将正渗透膜31装于安装腔302内，将第二扣接盖板301扣接于第一扣接盖板300上，并通过翻折边303将第二扣接盖板301侧壁包覆，利用螺栓固定；
55.s2、将上述组装好的正渗透膜组件3从换膜腔25一侧移入，在移入的开始，将第一扣接盖板300底端的导轮3001放在限位滑轨230内滑动，然后，向第一电磁铁3000通电，第一电磁铁3000与永磁体200之间产生吸力，使正渗透膜主框架30整体悬浮于换膜腔25，向各第二电磁铁2442通电，使电磁夹持吸盘244与金属片3002吸紧，完成正渗透膜组件3的固定，此时，启动电动伸缩杆242，通过电动伸缩杆242推动滑动安装板241在滑动槽240内滑动，而电磁夹持吸盘244也会同步移动，使正渗透膜组件3在于第一扣接盖板300无接触的情况下，在换膜腔25内滑动，直至正渗透膜组件3移动至阳极室10与阴极室11中间位置；
56.s3、向阳极室10内通入污水，利用过滤除杂组件4，可以有效地截留有机废水中的固体杂质，此时，阳极室10内的产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳，其中，电子经外电路12转移至阴极室11的阴极板110上，质子经由正渗透膜31扩散进入阴极室11，在阴极板110活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水；通过抽气泵152将co2通入阳极室10，co2使得阳极室10处于厌氧状态，从而为阳极产电微生物生长提供适宜条件；
57.s4、在需要更换正渗透膜31时，仅需将另一个组装好的新的正渗透膜组件3从换膜腔25一侧移入，断开第一电磁铁3000的电源，使旧的正渗透膜组件3底端的导轮3001落入限位滑轨230内，启动电动伸缩杆242，通过电动伸缩杆242推动滑动安装板241在滑动槽240内滑动，使电磁夹持吸盘244与新放入的正渗透膜组件3吸附，并在换膜腔25内滑动，此时，新的正渗透膜组件3将需更换的旧的正渗透膜组件3从换膜腔25另一侧推出，至此正渗透膜31更换完成，旧的正渗透膜组件3取出进行清洗再生以备后续使用。