專利名稱:一種微生物電化學(xué)裝置及利用秸稈產(chǎn)電的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種微生物電化學(xué)裝置,還涉及一種利用微生物電化學(xué)裝置降解秸桿產(chǎn)電的方法。
背景技術(shù):
農(nóng)作物秸桿是世界上數(shù)量最多的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品,是農(nóng)作物成熟收獲后剩下的作物殘留物。由于農(nóng)作物秸桿資源的利用涉及到整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的土壤肥力、水土保持、環(huán)境安全以及農(nóng)村能源的有效利用問題,也涉及到農(nóng)村居民的生活需求,引起世界各國的普遍關(guān)注,并越來越成為發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的重要方面。我國是農(nóng)業(yè)大國,也是秸桿資源最豐富的國家之一,我國農(nóng)作物秸桿產(chǎn)量雖然很大,但是由于在許多地區(qū)人們?nèi)圆捎脗鹘y(tǒng)焚燒的方法處置農(nóng)作物秸桿,利用率較低,既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。為了緩解農(nóng)村飼料、月巴料、燃料和工業(yè)原料的緊張狀況,保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,農(nóng)作物秸桿的綜合利用就成為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的迫切要求。秸桿還田通常指的是農(nóng)作物收獲后將秸桿粉碎或整株返還到田里中的一種秸桿利用方法。此方法簡(jiǎn)單、方便、快捷、便于普及。秸桿直接還田的方式多種多樣,常用的有高茬還田、覆蓋免耕還田、粉碎翻壓還田等。秸桿還田后,伴隨著秸桿的腐解,土壤中的有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀和微量元素的含量也逐漸增加,土壤中物質(zhì)的生物循環(huán)加速,土壤理化性質(zhì)也得到了有效的改善。研究表明,秸桿還田可改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),提高保水透氣能力,提高地溫,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,防止土壤板結(jié),促進(jìn)增產(chǎn)增收。秸桿還田有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但是,將秸桿大量直接還田,腐解期長(zhǎng),會(huì)引起作物與秸桿腐爛過程中的自然存在的微生物爭(zhēng)水爭(zhēng)肥,對(duì)作物生長(zhǎng)不利。因此如何來加速秸桿的降解速率,對(duì)于秸桿還田技術(shù)的推廣至關(guān)重要。微生物電化學(xué)工藝是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。不僅可從易生化降解的有機(jī)物中獲取電能,還可從一些難降解的有機(jī)物中獲取電能。其作用機(jī)理為:有機(jī)物在陽極區(qū) 附近被產(chǎn)電微生物氧化分解,產(chǎn)生的電子到陽極,再經(jīng)過外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子通過水溶液傳遞到陰極,并與氧氣反應(yīng)生成水,從而完成整個(gè)化學(xué)氧化還原反應(yīng),此過程中外電路會(huì)形成電流?,F(xiàn)行的技術(shù)研究還多關(guān)注于其產(chǎn)電能力,其他方面的研究還有待進(jìn)一步的探索。如果能利用微生物電化學(xué)技術(shù)來加速降解秸桿,并產(chǎn)生電能,將達(dá)到一舉兩得的目的。本發(fā)明的目的就是為秸桿還田提供一種新的方法。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷,本發(fā)明的技術(shù)目的在于提供一種利用微生物電化學(xué)裝置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低的秸桿降解利用方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種微生物電化學(xué)裝置(SMFC),主要由陽極、陰極、隔膜、陰極室、氣孔、電阻、導(dǎo)線組成,其中,陰極與陰極室相連,隔膜位于陰極室和陽極之間,陽極、隔膜、陰極三合一構(gòu)成膜電極,導(dǎo)線將陽極、陰極以及電阻之間串聯(lián)成一個(gè)回路;所述陰極室和膜電極均埋入土壤層內(nèi),土壤層與空氣之間設(shè)有水層;所述陽極與土壤層內(nèi)的土壤接觸,陰極的一面富含催化劑且該面與所述隔膜相對(duì),所述陰極室與高出水層的且與空氣直接接觸的氣孔相連通。所述陰極室為聚氯乙烯、或者硬度為60 95M的塑料材料制成。所述陽極為碳?xì)只蛘咛疾贾瞥桑魂帢O為防水處理富含催化劑的碳布或碳?xì)种瞥?。所述電極的隔膜材料為陽離子交換膜。所述電阻值為10-1000歐姆。所述富含催化劑的陰極所負(fù)載的催化劑為碳納米管,其負(fù)載量為1-5 mg.cm—2。一般的微生物電化學(xué)裝置陰極不負(fù)載催化劑,與其相比,反應(yīng)速率可以提高1-2倍。所述富含催化劑的陰極制作方法為:
a)將陰極材料浸潰在質(zhì)量比為5-10%的HNO3溶液中,60_90°C處理2_4h后取出,用去離子水洗至中性;
b)將碳納米管和水按 質(zhì)量比1:500-1:2000進(jìn)行超聲混合,得到電解液;
c)將陰極材料放置到電解槽中,將前述配好的電解液加到電解槽中,然后在電極兩端加上20-40V的直流電壓,電沉積10-60 min,電沉積結(jié)束后,把陰極材料取出,在60_90°C烘干;
d)將烘干后的電極背面涂上5%-15%的聚四氟乙烯作為防水層。上述富含催化劑的陰極制作方法中,a)步驟主要的目的,通過將材料放到硝酸中,使得材料的比表面積增大,利于催化劑的吸附。C)步驟的主要目的,通過控制電壓和沉積時(shí)間,以控制電極上負(fù)載催化劑的效果和負(fù)載量。經(jīng)過處理后的陰極其催化負(fù)載量為1-5mg.cm 2 ο為提高負(fù)載量,所述步驟C)中直流電壓為32V。一種利用所述的微生物電化學(xué)裝置降解秸桿產(chǎn)電的方法,該方法包括以下步驟:
a)把占土壤的質(zhì)量比為0.2%- 3%秸桿加入到土壤中,形成土壤層;
b)將微生物電化學(xué)裝置加入到土壤層中,其中膜電極位于土壤中,并加入水,形成水層,將膜電極連接于外電阻后啟動(dòng)微生物電化學(xué)裝置;
c)當(dāng)微生物電化學(xué)裝置的電壓穩(wěn)定后,以使得產(chǎn)電微生物掛于陽極表面,之后使其電壓保持在100- 600 mV,使得秸桿進(jìn)行降解;當(dāng)電壓低于50 mV時(shí)候,降解過程結(jié)束。采用上述方法土壤中先秸桿所含的纖維素和半纖維素的降解率均可達(dá)到30%-35%。優(yōu)選地,所述方法中秸桿占土壤的質(zhì)量比為1%。所述秸桿為玉米桿、稻草、豆桿、麥桿中一種或幾種。本發(fā)明的有益效果在于:
(1)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同及優(yōu)勢(shì)在于:本發(fā)明主要是原位利用土壤中的秸桿來直接產(chǎn)電,避免了焚燒的二次污染,以及運(yùn)輸收集帶來的成本;
(2)從廢棄的生物質(zhì)中獲得能量,并且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不需要太多的維護(hù),建造和運(yùn)行成本低;
(3)本發(fā)明所述的微生物電化學(xué)裝置,其陰極為空氣電極,并富含高效催化劑,可有效提高陰極的氧還原作用,從而加速纖維素的降解。
本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 其中,1-陽極;2-陰極;3-隔膜;4-陰極室;5-氣孔;6-電阻;7-導(dǎo)線。圖2是微生物電化學(xué)裝置中電壓隨時(shí)間的變化曲線;
圖3是微生物電化學(xué)裝置運(yùn)行2個(gè)月后,土壤中秸桿的降解效果。
具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1
本實(shí)施例說明本發(fā)明所述的一種利用微生物電化學(xué)裝置具體結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方法以及工作原理。參照附圖1,一種微生物電化學(xué)裝置,主要由陽極1、陰極2、隔膜3、陰極室4、氣孔
5、電阻6、導(dǎo)線7組成,其中,陰極I與陰極室4相連,隔膜3位于陰極室4和陽極I之間,陽極1、隔膜3、陰極2三合 一構(gòu)成膜電極,導(dǎo)線7將陽極1、陰極2以及電阻6之間串聯(lián)成一個(gè)回路;所述陰極室4和膜電極均埋入土壤層內(nèi),土壤層與空氣之間設(shè)有水層;所述陽極I與土壤層內(nèi)的土壤接觸,陰極2的一面富含催化劑且該面與所述隔膜3相對(duì),所述陰極室4與氣孔5相連通,該氣孔5高出水層且與空氣直接接觸。所述陰極室4為聚氯乙烯制成。所述陽極I為碳?xì)种瞥?;陰極2為防水處理富含催化劑的碳?xì)种瞥?。所述隔?材料為陽離子交換膜。所述電阻6的電阻值為100歐姆。所述富含催化劑的陰極制作方法為:
a)將陰極材料浸潰在質(zhì)量比為5%的HNO3溶液中,90°C處理2h后取出,用去離子水洗至中性;
b)將碳納米管和水按質(zhì)量比1:1000進(jìn)行超聲混合,得到電解液;
c)將陰極材料放置到電解槽中,將前述配好的電解液加到電解槽中,然后在電極兩端加上32V的直流電壓,電沉積60 min,電沉積結(jié)束后,把陰極材料取出,在80°C烘干;C)步驟的主要目的,通過控制電壓和沉積時(shí)間,以控制電極上負(fù)載催化劑的效果和負(fù)載量。經(jīng)過處理后的陰極其催化負(fù)載量為3mg.cm_2。d)將烘干后的電極背面涂上質(zhì)量比為5%的聚四氟乙烯作為防水層。一般的SMFC陰極不負(fù)載催化劑,與其相比,反應(yīng)速率可以提高1-2倍。本發(fā)明微生物電化學(xué)裝置在安裝時(shí),將本發(fā)明的膜電極以及陰極室4都置于土壤層中,其中陽極I與土壤直接接觸,陰極2中富含催化劑的一面與隔膜3接觸,然后在上層土壤中加入水。水層將陽極I氧化有機(jī)物中的質(zhì)子,通過水溶液傳遞到陰極2,起到電解液的作用。氣孔5要高于水面,與空氣直接接觸,利用空氣中的氧氣,使反應(yīng)速率增快。微生物電化學(xué)裝置作用時(shí),陽極I附近的厭氧菌,以電極作為電子受體,并不斷的刺激土壤中的土著微生物,加速其氧化土壤中秸桿包含的纖維素,產(chǎn)生的電子和質(zhì)子到達(dá)陰極2,在陰極高效催化劑的作用下,以陰極室4的空氣中氧氣作為電子受體,和陽極I傳遞過來的質(zhì)子和電子進(jìn)行反應(yīng),從而在回路中形成電流。而隨著陰極氧還原反應(yīng)的不斷進(jìn)行,從而加速了陽極區(qū)微生物降解秸桿的作用。所述土壤層包括土壤和秸桿,秸桿放在土壤中,是模擬秸桿還田中將秸桿放入田地中進(jìn)行填埋,主要是利用土壤中的微生物來降解秸桿,但土著的微生物降解慢,通過微生物電化學(xué)工藝來增強(qiáng)此過程,此外秸桿填埋到土壤中以增強(qiáng)土壤的肥力,以利于土壤的利用。實(shí)施例2
本實(shí)施例說明利用本發(fā)明所述的微生物電化學(xué)裝置降解秸桿的實(shí)驗(yàn)取700 g的土壤來自于林地,并在其中加入混合均勻,且占土壤為1% (W/W)的稻桿,形成土壤層。陰極催化劑的制備過程中,陰極碳?xì)窒冉⒃谫|(zhì)量比為5%的HNO3溶液中,90°C處理2h后取出,用去離子水洗至中性。之后將碳納米管和水按質(zhì)量比1:1000進(jìn)行超聲混合,得到電解液。將前述配好的電解液加到電解槽中,然后在電極兩端加上32V的直流電壓,電沉積60 min,電沉積 結(jié)束后,把陰極材料取出,在80°C烘干。烘干后的電極背面涂上5%的聚四氟乙烯作為防水層,得到催化劑含量為3mg.cm-2的陰極,并以不含催化劑的陰極作為對(duì)照,而陽極I也選擇為碳?xì)郑磳?shí)施例1所述的安裝方法分別構(gòu)造兩種微生物電化學(xué)裝置,并將其都插入到土壤中,然后再加入200 mL水,形成水層,以利于質(zhì)子的傳遞,并使得氣孔5露出水面以接觸空氣,當(dāng)微生物電化學(xué)裝置接好100歐姆的外電阻后,在25°C的工作環(huán)境中運(yùn)行,隨著時(shí)間的進(jìn)行,其陰極有催化劑的SMFC最大電壓可達(dá)到580mV (圖2所示),而陰極不含催化劑的SMFC最大電壓為510 mV,并且在12天后,前者的運(yùn)行電壓要顯著高于后者,在60天后,取出土壤中的稻桿,并測(cè)定其上纖維素、半纖維素的降解情況,其結(jié)果如圖3所示,在陰極沒有催化劑的微生物電化學(xué)裝置作用下,土壤中稻桿所含的纖維素和半纖維素的降解率達(dá)到18.4%和14.8%,而在有陰極催化劑的微生物電化學(xué)裝置作用下,土壤中稻桿所含的纖維素和半纖維素的降解率達(dá)到了 33.3%和30.7%,其降解速率是提聞了 2倍左右。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,主要由陽極、陰極、隔膜、陰極室、氣孔、電阻、導(dǎo)線組成,其中,陰極與陰極室相連,隔膜位于陰極室和陽極之間,陽極、隔膜、陰極三合一構(gòu)成膜電極,導(dǎo)線將陽極、陰極以及電阻之間串聯(lián)成一個(gè)回路;所述陰極室和膜電極均埋入土壤層內(nèi),土壤層與空氣之間設(shè)有水層;所述陽極與土壤層內(nèi)的土壤接觸,陰極的一面富含催化劑且該面與所述隔膜相對(duì),所述陰極室與高出水層的且與空氣直接接觸的氣孔相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述陰極室為聚氯乙烯、或者硬度為60 95M的塑料材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述陽極為碳?xì)只蛘咛疾贾瞥?;陰極為防水處理富含催化劑的碳布或碳?xì)种瞥伞?br>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述隔膜為陽離子交換膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述電阻的電阻值為10-1000 歐姆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述富含催化劑的陰極所負(fù)載的催化劑為碳納米管,其負(fù)載量為1-5 mg.cm—2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述富含催化劑的陰極制作方法為: a)將陰極材料浸潰在質(zhì)量比為5-10%的HNO3溶液中,60_90°C處理2_4h后取出,用去離子水洗至中性; b)將碳納米管和水按質(zhì)量比1:500-1:2000進(jìn)行超聲混合,得到電解液; c)將陰極材料放置到電解槽中,將前述配好的電解液加到電解槽中,然后在電極兩端加上20-40V的直流電壓,電沉積10-60 min,電沉積結(jié)束后,把陰極材料取出,在60_90°C烘干; d)將烘干后的電極背面涂上5%-15%的聚四氟乙烯作為防水層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微生物電化學(xué)裝置,其特征在于,所述步驟C)中直流電壓為32V。
9.一種利用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的微生物電化學(xué)裝置降解秸桿產(chǎn)電的方法,其特征在于,該方法包括以下步驟: a)把占土壤的質(zhì)量比為0.2%- 3%秸桿加入到土壤中,形成土壤層; b)將微生物電化學(xué)裝置加入到土壤層中,其中膜電極位于土壤中,并加入水,形成水層,將膜電極連接于外電阻后啟動(dòng)微生物電化學(xué)裝置; c)當(dāng)微生物電化學(xué)裝置的電壓穩(wěn)定后,以使得產(chǎn)電微生物掛于陽極表面,之后使其電壓保持在100- 600 mV,使得秸桿進(jìn)行降解;當(dāng)電壓低于50 mV時(shí)候,降解過程結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述秸桿為玉米桿、稻草、豆桿、麥桿中一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物電化學(xué)裝置,主要由陽極、陰極、隔膜、陰極室、氣孔、電阻、導(dǎo)線組成,其中,陰極與陰極室相連,隔膜位于陰極室和陽極之間,陽極、隔膜、陰極三合一構(gòu)成膜電極,導(dǎo)線將陽極、陰極以及電阻之間串聯(lián)成一個(gè)回路;所述陰極室和膜電極均埋入土壤層內(nèi),土壤層與空氣之間設(shè)有水層;所述陽極與土壤層內(nèi)的土壤接觸,陰極的一面富含催化劑且該面與所述隔膜相對(duì),所述陰極室與高出水層的且與空氣直接接觸的氣孔相連通。本發(fā)明還公開了一種利用所述的微生物電化學(xué)裝置降解秸稈產(chǎn)電的方法。本發(fā)明利用土壤中的秸稈來直接產(chǎn)電,避免了焚燒的二次污染,以及運(yùn)輸收集帶來的成本。
文檔編號(hào)H01M8/16GK103219536SQ201310101610
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者宋天順, 吳夏芫, 周楚新 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)