專利名稱：一種處理豬場廢水的雙圓筒型微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以去除豬場廢水的有機(jī)物并進(jìn)行產(chǎn)電的裝置，屬于微生物燃料電池和豬場廢水處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
長期以來，以厭氧生物處理和好氧生物處理為主的傳統(tǒng)豬場廢水處理技術(shù)主導(dǎo)污水處理領(lǐng)域多年，但由于其昂貴的污水處理成本和對高濃度的廢水的限制，越來越受到如今全球性能源緊缺問題的制約了，也成為了我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的阻礙。有機(jī)廢水中含有大量的易生物降解的有機(jī)物質(zhì)，而傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)并不能有效地利用之，同時往往還·伴有環(huán)境污染問題的產(chǎn)生。如果能有效的利用這些物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化成無污染的清潔能源，便可以克服傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的固有弊端，并將從根本上緩解水污染和能源短缺的問題。微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)技術(shù)作為一種新型的污水處理技術(shù)，具有凈化污水的同時能直接獲得電能輸出的作用，近年來受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被視作一種高效益、低能耗、清潔環(huán)保的處理技術(shù)。它不僅是污水處理技術(shù)的優(yōu)化，更是污水處理理念的革新，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。但由于受到眾多技術(shù)方面因素的制約，MFC離實際應(yīng)用尚有一段距離，目前相關(guān)研究才剛剛起步。目前由于MFC產(chǎn)電功率密度低，電極材料和交換膜造價昂貴，反應(yīng)器構(gòu)型的不確定，有關(guān)MFC的研究仍處于實驗階段，還很難實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。因此，需要在充分把握MFC多學(xué)科交叉的特點上，開展MFC的電化學(xué)特性與有機(jī)物降解效果的基礎(chǔ)研究。故研發(fā)適合有機(jī)廢水處理特點的雙圓筒型微生物燃料電池(DCMFC)，進(jìn)一步提高M(jìn)FC的產(chǎn)電功率密度和降低基礎(chǔ)建設(shè)與運行成本費用，對其實際應(yīng)用研究具有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種集豬場廢水及其他污水處理和產(chǎn)電于一體的新型微生物燃料電池。本發(fā)明所述雙圓筒型微生物燃料電池的組成包括陽離子交換膜、石墨碳?xì)帧⒇?fù)載R、碳纖維原絲、圓筒外壁、磁力攪拌器、布?xì)馄?、曝氣機(jī)、陽極室、陰極室、曝氣管、甘汞電極、橡皮塞、電夾、碳纖維原絲、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦。支撐陽離子交換膜和導(dǎo)電碳纖維絲附著的骨架采用長200mm、內(nèi)徑80mm的打有圓孔的圓柱形有機(jī)玻璃圓管制成，內(nèi)筒為陽極室，內(nèi)筒以外則為陰極室。實驗中將裝置主體部位放于2L的玻璃燒杯中，則燒杯中剩余的IL的容積即成為陰極室，陰極室和陽極室的空床容積均為1L，加入電極后的陽極室有效容積為950mL。陰極電極采用導(dǎo)電碳纖維絲沿離子交換膜外壁緊密環(huán)繞數(shù)圈至全部包裹其外壁而制成；陽極電極采用厚3mm的碳?xì)郑?4cmX18cm，表面積為252cm2。陽極室上端設(shè)有一圓形口，用于取樣及電極電勢測量，設(shè)橡膠封蓋。陰極室底部布設(shè)環(huán)狀曝氣管。使用帶電極采用鈦絲引出，外電路導(dǎo)線使用銅絲導(dǎo)線，外接可變電阻負(fù)載R。采集器與負(fù)載R兩端連接，再接電腦，儲存、顯示采集的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點在于
①電極采用低廉的碳?xì)蛛姌O和碳纖維原絲，降低反應(yīng)器成本，并提高了產(chǎn)電效率。②反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃作為主要材料，使用有機(jī)溶劑溶解有機(jī)玻璃，使有機(jī)玻璃與質(zhì)子交換膜之間的縫隙完全融合密實，陰極室與陽極室隔密封性強(qiáng)。③反應(yīng)器可拆卸，便于反應(yīng)器定期沖洗，和對陽極電 極材料和陰極材料進(jìn)行調(diào)整改造。④雙圓筒型裝置的構(gòu)造及碳?xì)蛛姌O和陰極電極材料的使用，減小了電極間的傳質(zhì)間距，降低MFC的傳質(zhì)阻力，提高了裝置的產(chǎn)電能量。⑤裝置運行穩(wěn)定，產(chǎn)電特征較明顯。⑥雙圓筒型微生物燃料電池對豬場廢水的有機(jī)物去除率能夠達(dá)到傳統(tǒng)厭氧工藝有機(jī)物去除的較高水平。


圖I為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I.離子交換膜2.石墨碳?xì)?.負(fù)載R4.碳纖維原絲5.圓筒外壁6.磁力攪拌器7.布?xì)馄?.曝氣機(jī)9.陽極室10.陰極室11.曝氣管12.甘汞電極13.橡皮塞14.電夾15.碳纖維原絲16.數(shù)據(jù)采集器17.筆記本電腦。圖2為利用本發(fā)明處理豬場廢水的啟動過程輸出電壓變化情況。圖中橫坐標(biāo)為時間/h，縱坐標(biāo)(左)為輸出電壓/mV，縱坐標(biāo)(右)為陽極電極電勢/mV，■為輸出電壓，▲為陽極電勢。A.第一次更換陽極底液B.第二次更換陽極底液。圖3為利用本發(fā)明處理豬場廢水初始COD濃度為1466. 66mg/L的結(jié)果圖。圖中橫坐標(biāo)為時間/h，縱坐標(biāo)(左)為輸出電壓/mV，縱坐標(biāo)(右)為陽極電極電勢/mV，■為輸出電壓，★為陽極電勢。圖4為利用本發(fā)明處理豬場廢水的極化曲線測試結(jié)果圖。圖中橫坐標(biāo)為電流/mA，縱坐標(biāo)(左)為輸出電壓/mV，縱坐標(biāo)(右)為功率密度/mW . m2，1_9為伏安曲線，10-18為極化曲線。
具體實施例方式結(jié)合附圖加以說明
圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明所述雙圓筒型微生物燃料電池的組成包括陽離子交換膜、石墨碳?xì)?、?fù)載R、碳纖維原絲、圓筒外壁、磁力攪拌器、布?xì)馄?、曝氣機(jī)、陽極室、陰極室、曝氣管、甘汞電極、橡皮塞、電夾、碳纖維原絲、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦。包括支撐陽離子交換膜和導(dǎo)電碳纖維絲附著的骨架采用長200mm、內(nèi)徑80mm的打有圓孔的圓柱形有機(jī)玻璃圓管制成，內(nèi)筒為陽極室，內(nèi)筒以外則為陰極室。實驗中將裝置主體部位放于2L的玻璃燒杯中，則燒杯中剩余的IL的容積即成為陰極室，陰極室和陽極室的空床容積均為1L，加入電極后的陽極室有效容積為950mL。陰極電極采用導(dǎo)電碳纖維絲沿離子交換膜外壁緊密環(huán)繞數(shù)圈至全部包裹其外壁而制成；陽極電極采用厚3mm的碳?xì)郑?4cmX18cm，表面積為252cm2。陽極室上端設(shè)有一圓形口，用于取樣及電極電勢測量，設(shè)橡膠封蓋。陰極室底部布設(shè)環(huán)狀曝氣管。使用帶電極采用鈦絲引出，外電路導(dǎo)線使用銅絲導(dǎo)線，外接可變電阻箱。圖2為利用本發(fā)明處理豬場廢水的啟動過程輸出電壓變化情況，首先在950mL的陽極液注入稀釋至約2000mg/L的實際廢水400mL (約占50%，但未加CBS緩沖液)，注入表2. 2中的濃度為2000mgC0D/L的葡萄糖培養(yǎng)基450mL，其他條件與4. I節(jié)中的實驗條件相同。每次用50%的實際豬場廢水與模擬廢水混合物更換陽極液，經(jīng)過2次(B處)的陽極底物更換陽后，便能達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)電，完成了產(chǎn)電菌對實際廢水的馴化。圖3為利用本發(fā)明處理豬場廢水初始COD濃度為1466. 66mg/L的結(jié)果圖。整個過程產(chǎn)電時間持續(xù)148. 4h，產(chǎn)電平臺持續(xù)時間約125. Oh。陽極電勢能達(dá)_451mV，輸出電壓最高達(dá)660mV,電流達(dá)6. 6mA，輸出功率達(dá)4. 36mff (174. 4 mff/m2), COD去除率為73. 26%。圖4為利用本發(fā)明處理豬場廢水的極化曲線測試結(jié)果圖。將初始COD濃度·從1000mg/L提高到4000mg/L可以將最大功率密度從130. 63mff/ m2(10. 41mA)提高到269. 36mff/ m2 (12. 98mA)。之后繼續(xù)將初始COD濃度從5000mg/L提高至20000mg/L，獲得最大功率為 226. 58mff/ m2(ll. 90mA) "233. 28mff/ m2 (10. 80mA)。
權(quán)利要求
1.一種處理豬場廢水的雙圓筒型微生物燃料電池，其特征在于所述電池結(jié)構(gòu)包括陽離子交換膜、石墨碳?xì)?、?fù)載R、碳纖維原絲、圓筒外壁、磁力攪拌器、布?xì)馄?、曝氣機(jī)、陽極室、陰極室、曝氣管、甘汞電極、橡皮塞、電夾、碳纖維原絲、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦； 支撐陽離子交換膜和導(dǎo)電碳纖維絲附著的骨架采用長200mm、內(nèi)徑80mm的打有圓孔的圓柱形有機(jī)玻璃圓管制成，內(nèi)筒為陽極室，內(nèi)筒以外則為陰極室；實驗中將裝置主體部位放于2L的玻璃燒杯中，則燒杯中剩余的IL的容積即成為陰極室，陰極室和陽極室的空床容積均為1L，加入電極后的陽極室有效容積為950mL ;陰極電極采用導(dǎo)電碳纖維絲沿離子交換膜外壁緊密環(huán)繞數(shù)圈至全部包裹其外壁而制成；陽極電極采用厚3_的碳租,14cmX 18cm,表面積為252cm2 ;陽極室上端設(shè)有一圓形口，用于取樣及電極電勢測量，設(shè)橡膠封蓋；陰極室底部布設(shè)環(huán)狀曝氣管；使用帶電極采用鈦絲引出，外電路導(dǎo)線使用銅絲導(dǎo)線，外接可變電阻負(fù)載R ;采集器與負(fù)載R兩端連接，再接電腦，儲存、顯示采集的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種處理豬場廢水的雙圓筒型微生物燃料電池，包括陽離子交換膜、石墨碳?xì)?、?fù)載R、碳纖維原絲、圓筒外壁、磁力攪拌器、布?xì)馄?、曝氣機(jī)、陽極室、陰極室、曝氣管、甘汞電極、橡皮塞、電夾、碳纖維原絲、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦。該電池對豬場廢水的有機(jī)物去除率能夠達(dá)到傳統(tǒng)厭氧工藝有機(jī)物去除的較高水平，同時可降低反應(yīng)器成本，提高產(chǎn)電效率。
文檔編號C02F103/20GK102790232SQ20121024754
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者萬金保, 朱衷榜, 熊友強(qiáng) 申請人:南昌大學(xué)