專利名稱：無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微生物燃料電池，特別是一種無離子交換膜無介體柱型微生物燃料 電池，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低內(nèi)阻、提高產(chǎn)電效率，在能源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域有廣闊前 景。
背景技術(shù)：
作為極具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉磁c環(huán)境技術(shù)，微生物燃料電池技術(shù)正在可更新能源 和有機(jī)廢水處理領(lǐng)域受到人們的重視。 一般地，微生物燃料電池是由兩個(gè)電極室 構(gòu)成，陰、陽電極分別設(shè)置于陰極室和陽極室內(nèi)，兩個(gè)電極室由離子交換膜分開， 電極通過外電路連接。在陽極室內(nèi)，以純培養(yǎng)的產(chǎn)電菌或者混合菌種產(chǎn)電菌接種， 通過微生物生化作用，以廢水中的有機(jī)污染物作為電子供體，電子經(jīng)外電路傳輸 至陰極，陽極中產(chǎn)生的質(zhì)子在陽極室傳輸至陰極，質(zhì)子和電子在陰極與電子受體 反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對有機(jī)污染物降解。因微生物燃料電池具有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，如 不需要外加能源，封閉運(yùn)行而不對環(huán)境產(chǎn)生污染，獨(dú)立運(yùn)行程度高而管理方便， 最重要的是在去除有機(jī)污染物的同時(shí)能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物化學(xué)鍵中的化學(xué)能以電能 形式回收，具有廣闊應(yīng)用前景。
然而，微生物燃料電池技術(shù)的完善提高仍然面臨一些問題。 一是微生物燃料 電池成本高。在常規(guī)的微生物燃料電池中，需要將陰陽極電極液分離開來，還要 求生化反應(yīng)所產(chǎn)生的帶正電荷的離子能夠從陽極移動(dòng)陰極，這就要求必須使用離 子交換膜。離子交換膜在成本中占有顯著比例。另一方面，在陽極室內(nèi)生化作用 產(chǎn)生的電子需要被轉(zhuǎn)移到陽極上， 一般地，電子這種轉(zhuǎn)移效率較低，需要借助電 子轉(zhuǎn)移介體的幫助來提高效率，而這種電子轉(zhuǎn)移介體物質(zhì)價(jià)格昂貴，而且常常帶 來二次污染。在成本和產(chǎn)電效率上的這一矛盾掣肘微生物燃料電池的進(jìn)歩。二是 所產(chǎn)電能在內(nèi)阻上消耗比例大。常規(guī)的雙電極室微生物燃料電池的內(nèi)阻很高，在 所生成總電勢一定的前提下，依靠提高外阻抵消內(nèi)阻高的影響是不可行的。電池 內(nèi)阻主要來源于電極電阻、擴(kuò)散電阻和極化電阻。因此電極材料、電池構(gòu)造設(shè)計(jì)、 電極液選擇影響了微生物燃料電池內(nèi)阻的削減。三是菌種選擇。許多類型的微生 物燃料電池使用的是純培養(yǎng)菌種，以此為基礎(chǔ)的微生物燃料電池受限于廢水處理。 有的類型菌種不能夠?qū)a(chǎn)生的電子傳遞至陽極，這就要求電子轉(zhuǎn)移介體的使用，造成成本的升高。厭氧產(chǎn)電菌是微生物燃料電池生化反應(yīng)的承載體，直接關(guān)系到 微生物燃料電池的效能。
微生物燃料電池需要在制造和運(yùn)行成本、產(chǎn)電效率、菌種選擇等方面改進(jìn)， 提高微生物燃料電池商業(yè)化潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，該微 生物燃料電池采用雙圓筒結(jié)構(gòu)分別形成陽極室和陰極室，該電極室可以使陰極室 內(nèi)電子受體與來自陽極的質(zhì)子和電子有效接觸并反應(yīng)，可用于處理高濃度有機(jī)廢 水和生活污水并回收電能。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電 池，包括陽極室、陰極室和外電路，其特征在于所述陽極室位于圓柱形筒的內(nèi)部， 其中心設(shè)有一個(gè)碳棒，并在圓柱形筒內(nèi)部填充有顆?；钚蕴?；所述陰極室位于陽 極室圓柱形筒與套裝在陽極室外的外筒間的環(huán)狀區(qū)域；所述圓柱形筒的筒壁為多 孔狀，且在筒壁的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別附有陽極炭布和陰極炭布；所述陽極室和陰極 室還分別設(shè)有陽極液和陰極液的入水口和出水口 。
本發(fā)明具有以下有益效果
1) 能夠有效去除污水中有機(jī)污染物的同時(shí)，回收機(jī)污染物中儲(chǔ)存的能量；
2) 無交換膜無電子轉(zhuǎn)移介體，不需要曝氣提供氧氣做電子受體，減少了反應(yīng) 器建造成本，避免了介體帶了的二次污染；
3) 其電極間距由多孔板厚度調(diào)節(jié)確定，有效降低電荷傳遞內(nèi)阻，減少了所產(chǎn) 電能在能組上的損失；
4) 柱形電極室使電子受體均勻接觸陰極，有機(jī)廢水與顆?；钚蕴烤鶆蚪佑|， 擴(kuò)大了生物膜面積，顆粒活性炭以碳棒與陽極炭布連接，加快了反應(yīng)速度。
采用本發(fā)明，不僅可以較低成本去除廢水中有機(jī)污染物，還能以較高庫倫效 率將有機(jī)污染物中的化學(xué)能以電能的形式回收，工藝和運(yùn)行管理簡單，有廣闊商 業(yè)應(yīng)用前景。


圖1無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池示意圖2無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池內(nèi)筒壁局部放大示意圖。圖中l(wèi).外電路，2.電子受體溶液入口， 3.圓柱形陽極室，4.電子供體原水 入口， 5.電子受體溶液出口， 6.環(huán)形陰極室，7.碳棒，8.檢測孔，9.電子供體 原水出口， 10.陽極炭布，11.陰極炭布，12.圓柱形筒壁。
具體實(shí)施例方式
下面以具體實(shí)施例來闡述無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池的制備 本發(fā)明無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，由圓柱形陽極室3、環(huán)形陰
極室6和外電路1等組成。所述陽極室3位于圓柱形筒的內(nèi)部，其中心設(shè)有一個(gè) 碳棒7，并在圓柱形筒內(nèi)部填充有顆?；钚蕴俊Ｋ鲫帢O室6位于陽極室圓柱形 筒與套裝在陽極室外的外筒間的環(huán)狀區(qū)域。所述圓柱形筒的筒壁為多孔狀12,且 在筒壁的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別附有陽極炭布IO和陰極炭布11。所述陽極室和陰極室 還分別設(shè)有陽極液和陰極液的入水口和出水口，如位于陽極室底部的電子供體
原水入口4，位于陽極室頂部中心的電子供體原水出口 9;位于陰極室頂部的電子
受體溶液入口 2和位于陰極室底部的電子受體溶液出口 5。為方便檢測微生物燃 料電池陽極液物化特性還可以設(shè)有一個(gè)檢測孔8。
所述圓柱形筒的筒壁厚度為0.5-8cm;比較好的圓柱形筒的筒壁厚度為 0.5-3cm。所述圓柱形筒的多孔狀筒壁盡可能多地鉆孔鏤空，鏤空孔面積占筒壁面 積50—80%。
所述陽極液可以是電子供體原水包括有機(jī)廢水、葡萄糖溶液或乙酸鈉中的一 種或多種。所述電子供體原水添加微生物營養(yǎng)液用于產(chǎn)電菌馴化，其成分為乙
酸鈉500-1200mg/L， N元素50-120mg/L， P元素3000-7000mg/L和K元素30-150 mg/L。
所述陰極液可以是電子受體溶液硝酸鹽溶液、鐵氰化物溶液或高錳酸鹽 的一種或多種。
實(shí)施例1
1) 使用有機(jī)玻璃材料制作微生物燃料電池的內(nèi)筒和外筒；
2) 確定陰陽極反應(yīng)室有效容積為200-300ml;
3) 圓柱形的筒壁厚度為l-3cm，在保證足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提條件下，對圓柱形 的筒壁進(jìn)行盡可能多地鉆孔鏤空；
4) 陽極炭布和陰極炭布分別附于陽極室壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)；5) 在陽極室內(nèi)填滿顆?；钚蕴浚蕴及暨B接活性炭和外電路；
6) 以有機(jī)廢水中有機(jī)污染物作為電子供體注入陽極室，馴化廢水中微生物做 產(chǎn)電菌，以硝酸鹽做電子受體。
本實(shí)施例的微生物燃料電池原理是通過優(yōu)化陰陽極間距、填充顆?；钚蕴縼?縮小電池內(nèi)阻，以減少所產(chǎn)電能在內(nèi)阻上的消耗，進(jìn)而增加電能輸出提高電池電 能輸出效率。
實(shí)施例2
1) 使用有機(jī)玻璃材料制作微生物燃料電池；
2) 確定陰陽極反應(yīng)室有效容積為30-50ml;
3) 圓柱形的筒壁厚度為0.5-lcm，在保證足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提條件下，對圓柱 形的筒壁進(jìn)行盡可能多地鉆孔鏤空；
4 )陽極炭布和陰極炭布分別附于陽極室壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)；
5) 在陽極室內(nèi)填滿顆?；钚蕴浚蕴及暨B接活性炭和外電路；
6) 以葡萄糖作為電子供體注入陽極室，以鐵氰化物做電子受體。
本實(shí)施例的微生物燃料電池設(shè)計(jì)原理是通過縮小結(jié)構(gòu)體積、提高電子受體氧化 還原電位來滿足微生物來料電池小型化并提高電池電勢要求。
權(quán)利要求
1.一種無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，包括陽極室、陰極室和外電路，其特征在于所述陽極室位于圓柱形筒的內(nèi)部，其中心設(shè)有一個(gè)碳棒，并在圓柱形筒內(nèi)部填充有顆?；钚蕴?；所述陰極室位于陽極室圓柱形筒與套裝在陽極室外的外筒間的環(huán)狀區(qū)域；所述圓柱形筒的筒壁為多孔狀，且在筒壁的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別附有陽極炭布和陰極炭布；所述陽極室和陰極室還分別設(shè)有陽極液和陰極液的入水口和出水口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，其特征在 于所述圓柱形筒的筒壁厚度為0.5-8cm;所述圓柱形筒為多孔狀筒壁，鏤空孔 面積占筒壁面積50—80%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，其特征在 于所述圓柱形筒的筒壁厚度為0.5-3cm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2、 3所述的無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，其 特征在于所述陽極液中電子供體原水包括有機(jī)廢水、葡萄糖溶液或乙酸鈉 中的一種或多種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，其特征在 于所述電子供體原水添加微生物營養(yǎng)液用于產(chǎn)電菌馴化，其成分為乙酸鈉 500-1200mg/L， N元素50-120mg/L， P元素3000-7000mg/L和K元素30-150 mg/L。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2、 3所述的無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池，其 特征在于所述陰極液是電子受體溶液為硝酸鹽溶液、鐵氰化物溶液或高錳 酸鹽中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無離子交換膜無介體柱型微生物燃料電池(MFCs)。采用柱形雙電極室，陽極室中置于內(nèi)部，其內(nèi)部填充顆?；钚蕴浚蕴及暨B接活性炭與陽極，陰極室包圍于陽極室外，陰陽極炭布以0.5-8cm厚多空板隔離。在陰極室內(nèi)根據(jù)工程需要注入電子受體溶液。這一設(shè)計(jì)有效降低了內(nèi)阻，減少了所產(chǎn)電能在內(nèi)阻上的消耗，增加了電能輸出，有機(jī)污染物有效去除。無需離子交換膜，不需要曝氣，降低了建設(shè)運(yùn)行成本。無需添加電子轉(zhuǎn)移介體，節(jié)省成本的同時(shí)避免介體物質(zhì)帶給環(huán)境的二次污染。
文檔編號H01M8/16GK101667651SQ20091007069
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者周啟星, 李鳳祥, 李白崑 申請人:南開大學(xué)