光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電池系統(tǒng),尤其涉及一種微生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]能量和水資源的短缺,是全球面臨的兩個(gè)重要挑戰(zhàn),對人類社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。應(yīng)用廣泛的城鎮(zhèn)污水處理工藝包括傳統(tǒng)活性污泥工藝及變形,如厭氧-缺氧-好氧法(A20)工藝、氧化溝工藝、序批式活性污泥法(SBR)工藝等。這些工藝對污染物的去除效果好,但運(yùn)行能耗高、剩余污泥產(chǎn)量大。實(shí)際上,污水中蘊(yùn)含了巨大的能量,lkg化學(xué)需氧量(C0D)完全氧化為水和0)2理論上可以產(chǎn)生3.86kff.h的能量,如果生活污水以400 mg/L COD計(jì),則所含能量為1.544kff *h/m3,是我國污水處理廠處理lm3污水平均電耗的5.3倍。近幾年微生物燃料電池(MFC)的出現(xiàn)和快速發(fā)展,也實(shí)現(xiàn)了從廢水中回收電能,但是距離實(shí)際的工業(yè)化應(yīng)用還有很大距離。其一,微生物燃料電池的輸出功率密度低、產(chǎn)生電壓低、電能難以回收利用;其二,微生物燃料電池降解的污染物質(zhì)主要是無生物毒性的有機(jī)物,對持久性有機(jī)物的降解效果差。這大大的限制了微生物燃料電池在污染物降解方面的應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的是提供一種光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池包括反應(yīng)容器,所述反應(yīng)容器被第一分隔腔和第二分隔腔分隔為光陽極室、微生物陽極室和陰極室,微生物陽極室位于光陽極室和陰極室之間;所述微生物陽極室內(nèi)為厭氧環(huán)境,所述陰極室為好氧環(huán)境,所述光陽極室內(nèi)置有光催化陽極,所述微生物陽極室內(nèi)置有用于生長產(chǎn)電微生物的生物陽極,所述陰極室內(nèi)置有生物陰極;光陽極室設(shè)有光陽極室進(jìn)水口和光陽極室出水口,微生物陽極室設(shè)有微生物陽極室進(jìn)水口和微生物陽極室出水口,陰極室設(shè)有陰極室進(jìn)水口、陰極室出水口和陰極室出氣口;所述光陽極室出水口通過所述第一分隔腔與微生物陽極室進(jìn)水口連通而使光陽極室內(nèi)的水流能夠進(jìn)入微生物陽極室;所述微生物陽極室出水口通過所述第二分隔腔與陰極室進(jìn)水口連通而使微生物陽極室內(nèi)的水流能夠進(jìn)入陰極室;所述光催化陽極和所述生物陰極之間串聯(lián)有第一外電阻,所述生物陽極和所述生物陰極之間串聯(lián)有第二外電阻。
[0005]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型所述光陽極室的側(cè)壁上設(shè)有石英玻璃窗口。
[0006]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型在反應(yīng)容器的外部設(shè)有光源,所述光源發(fā)射的光能夠通過所述石英玻璃窗口進(jìn)入所述光陽極室內(nèi)以使光陽極室內(nèi)的光催化陽極進(jìn)行光催化反應(yīng)。
[0007]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型還包括為所述陰極室提供氧氣的供氧裝置。
[0008]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型所述供氧裝置包括相互連通的曝氣頭和空氣栗,其中,所述曝氣頭置于陰極室進(jìn)水口處或置于陰極室內(nèi),所述空氣栗置于所述反應(yīng)容器的外部。
[0009]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型所述光陽極室進(jìn)水口低于光陽極室出水口,所述微生物陽極室進(jìn)水口低于光陽極室出水口,所述微生物陽極室進(jìn)水口低于微生物陽極室出水口,所述陰極室進(jìn)水口低于微生物陽極室出水口,所述陰極室出水口高于陰極室進(jìn)水口。
[0010]進(jìn)一步地,本實(shí)用新型所述陰極室的頂部呈敞口狀,該敞口為所述陰極室出氣口。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型具有的有益效果是:(1)將光電催化技術(shù)與微生物燃料電池技術(shù)耦合在一起,即采用“光催化+厭氧+好氧”技術(shù),利用光催化無選擇性降解污染物的特性,先將具有生物毒性的物質(zhì)降解為毒性低的小分子,然后進(jìn)入微生物陽極室進(jìn)行厭氧生物降解,再進(jìn)入陰極室進(jìn)行好氧生物降解,強(qiáng)化難降解污染物的去除;(2)光催化燃料電池的連接可以有效提高微生物燃料電池的陰極電位,進(jìn)而提高微生物燃料電池的產(chǎn)能;(3)采用將具有電化學(xué)活性的生物膜作為陰極催化劑,在生長代謝的同時(shí)催化陰極反應(yīng),具有穩(wěn)定、可再生的特點(diǎn),避免了貴金屬催化劑的使用,降低了裝置的成本;(4)利用光陽極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁與微生物陽極室一側(cè)側(cè)壁之間以及微生物陽極室另一側(cè)側(cè)壁與陰極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁之間的空間作為各個(gè)室之間的物理阻隔,能夠有效保障微生物陽極室的生物反應(yīng)不受陽極室光催化反應(yīng)的影響,有效阻斷氧氣從陰極室向微生物陽極室的擴(kuò)散,保障陽極室的絕對厭氧環(huán)境;同時(shí)通過廢水從光陽極室向微生物陽極室,再從微生物陽極室向陰極室的溢流而達(dá)到傳遞質(zhì)子的目的,因此利用反應(yīng)容器本身的流態(tài)從而不需要離子選擇性透過膜,降低了反應(yīng)容器成本;(5)能以廢水為燃料生產(chǎn)電能,實(shí)現(xiàn)廢水處理和產(chǎn)電的同步進(jìn)行,有效回收廢水中所蘊(yùn)含的能量,降低廢水處理的成本。
【附圖說明】
[0012]圖1是本實(shí)用新型光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中:1-光陽極室進(jìn)水口,2-光陽極室,3-第一分隔腔,4-微生物陽極室,5-第二分隔腔,6-陰極室,7-陰極室出水口,8-光催化陽極,9-生物陽極,10-生物陰極,11-電阻一,12-電阻二,13-曝氣頭,14-空氣栗,15-光陽極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁,16-生物陽極室一側(cè)側(cè)壁,17-生物陽極室另一側(cè)側(cè)壁,18-陰極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁,19-光陽極室出水口,20-生物陽極室進(jìn)水口,21-生物陽極室出水口,22-陰極室進(jìn)水口,23-陰極室出氣口,24-反應(yīng)容器,25-石英玻璃窗口,26-光源。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示,本實(shí)用新型光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池包括反應(yīng)容器24。反應(yīng)容器24被第一分隔腔3和第二分隔腔5分隔為光陽極室2、微生物陽極室4和陰極室6,微生物陽極室4位于光陽極室2和陰極室6之間??稍谖⑸镪枠O室4內(nèi)接種有產(chǎn)電微生物的厭氧污泥,在陰極室6內(nèi)接種好氧污泥,從而使得微生物陽極室4內(nèi)為厭氧環(huán)境,陰極室6為好氧環(huán)境。光催化陽極8置于光陽極室2內(nèi),用于生長產(chǎn)電微生物的生物陽極9置于微生物陽極室3內(nèi),生物陰極10置于陰極室6內(nèi)。光陽極室2設(shè)有光陽極室進(jìn)水口 1和光陽極室出水口 19,微生物陽極室4設(shè)有微生物陽極室進(jìn)水口 20和微生物陽極室出水口 21,陰極室6設(shè)有陰極室進(jìn)水口 22、陰極室出水口 7和陰極室出氣口 23。光陽極室進(jìn)水口 1低于光陽極室出水口 19 ;微生物陽極室進(jìn)水口 20低于光陽極室出水口 19,光陽極室出水口 19與微生物陽極室進(jìn)水口 20通過第一分隔腔3連通,從而使光陽極室2內(nèi)廢水依次經(jīng)由光陽極室出水口 19、第一分隔腔3、微生物陽極室進(jìn)水口 20流入微生物陽極室4。微生物陽極室進(jìn)水口 20低于微生物陽極室出水口 21,陰極室進(jìn)水口 22低于微生物陽極室出水口 21。微生物陽極室出水口 21與陰極室進(jìn)水口 22通過第二分隔腔5連通,從而使微生物陽極室4內(nèi)流出的廢水依次經(jīng)由微生物陽極室出水口 21、第二分隔腔5、陰極室進(jìn)水口 22流入陰極室6。陰極室出水口 7高于陰極室進(jìn)水口 22。光催化陽極8和生物陰極10之間串聯(lián)有第一外電阻11,生物陽極9和生物陰極10之間串聯(lián)有第二外電阻12。
[0015]本實(shí)用新型在光陽極室2的側(cè)壁上密封鑲嵌有石英玻璃窗口 25。在反應(yīng)容器24的外部設(shè)有光源26,光源26正對石英玻璃窗口 25,使得光源26發(fā)射的光能夠通過石英玻璃窗口 25進(jìn)入光陽極室2,從而光陽極室2內(nèi)的光催化陽極8在光源26發(fā)射的光的作用下發(fā)生光催化反應(yīng)。
[0016]本實(shí)用新型可通過供氧裝置為陰極室6提供氧氣。作為本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式,供氧裝置可由相互連通的曝氣頭13和空氣栗14組成。其中,曝氣頭13置于陰極室進(jìn)水口 22處或置于陰極室6內(nèi),空氣栗14置于反應(yīng)容器24外,曝氣頭13通過穿過反應(yīng)容器底部的導(dǎo)氣管與空氣栗14連通。
[0017]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選實(shí)施方式,如圖1所示,光陽極室進(jìn)水口 1設(shè)于光陽極室2的外側(cè)側(cè)壁的底端,光陽極室出水口 19設(shè)于光陽極室2的內(nèi)側(cè)側(cè)壁的頂端;微生物陽極室進(jìn)水口 20設(shè)于微生物陽極室4的側(cè)壁的底端,微生物陽極室出水口 21設(shè)于微生物陽極室4的側(cè)壁的頂端;陰極室進(jìn)水口 22設(shè)于陰極室6的內(nèi)側(cè)側(cè)壁的底端,陰極室出水口 7設(shè)于陰極室6的外側(cè)側(cè)壁的頂端。此外,優(yōu)選地將陰極室6的頂部設(shè)為敞口狀,該敞口為陰極室出氣口 23。
[0018]本實(shí)用新型光催化和生物復(fù)合陽極與生物陰極耦合燃料電池在工作時(shí),先將廢水由光陽極室進(jìn)水口 1引入到光陽極室2內(nèi),經(jīng)光陽極室2內(nèi)的光催化陽極8的光催化反應(yīng)后通過光陽極室出水口 19流入第一分隔腔3中,然后經(jīng)微生物陽極室進(jìn)水口 20流入至微生物陽極室4內(nèi),在微生物陽極室4內(nèi)作厭氧處理后通過微生物陽極室出水口 21流入第二分隔腔5中,然后經(jīng)陰極室進(jìn)水口 22流入至陰極室6內(nèi),最后在陰極室6內(nèi)作好氧處理后通過陰極室出水口 7流出反應(yīng)容器24。
[0019]可在微生物陽極室4內(nèi)接種有產(chǎn)電微生物的厭氧污泥,在陰極室6內(nèi)接種好氧污泥。來自外部的廢水經(jīng)過光陽極室2時(shí),光催化陽極8在光