[发明专利]单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种廉价、构型简单、易于操作、能在高效处理有机污水的同时获取直接电能的单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池，该微生物燃料电池也是一种污水处理装置。

背景技术

近几年兴起的微生物燃料电池技术能在处理污水的同时获取额外的电能输出，是一种继传统活性污泥法和厌氧消化工艺之外的新型污水处理工艺。早期用于研究的微生物燃料电池(MFC)为双室型，阴、阳两电极分别位于阴极室和阳极室中，质子交换膜位于中间。在应用到实际废水处理时，最大问题是放入水下的质子交换膜无法承受较大静水压力，同时还存在内阻较大、输出功率低、阴极需要曝气、能量消耗较大和成本高等问题。

公开号为CN1874040A的发明专利技术2005年12月6日公开了一种单室型MFC，只有一个阳极室，质子交换膜通过热压附着在阴极表面，虽然相对于双室型MFC来说，其内阻较低、构型简化，但长时间运行以后，质子交换膜常常会与阴极发生分离，阴极组件使用寿命有限且加工和更换程序复杂。而且在其正常运行过程中，由于阴极一直承受着静水压力，很容易发生漏液等问题，再就是质子交换膜成本昂贵。

在单室型MFC中去掉质子交换膜虽然可以在较短时间内可以获得更高的产电性能，但是由于质子交换膜省略后，阴极直接暴露在阳极微生物的环境中，必然会直接影响到阴极的催化性能。尤其在使用实际废水作为基质燃料时，一方面，实际废水往往包含各种复杂的污染物，这些污染物会与阴极催化剂反应而使催化剂失活；另一方面，微生物在其表面附着生长也会使得阴极的性能迅速降低。

MFC技术相对于传统污水处理技术的优势就在于能在处理污水的同时获取额外的电能输出，而电流功率输出的大小主要取决于MFC阳极室中的产电微生物。早期研究者认为微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此需要人工投加电子介体(如氧化还原介质，如中性红，硫堇等)来增大MFC功率密度。但这些介体费用昂贵、需要定期更换、对微生物有毒，且细菌采用纯培养方式，难以应用于实际。此类细菌称为电子介体产电菌。接下来在韩国的Kim教授在其申请的专利(专利号为5976719)中公开了一类可以通过与电极直接接触的方式来传递电子的细菌。虽然由这类细菌构建的MFC在无需人工添加任何电子介体的情况下也能获取较高的电能输出，但由于细菌只能在阳极表面以单层生物膜的形式生长，导致其功率进一步提升的空间较小。这类细菌称为无介体产电菌。研究进一步发现MFC阳极室中还存在一些细菌不但可以直接吸附在电极上实现电子转移，而且还可以分泌溶解性物质并利用其溶解性物质或基质降解中间产物或终产物作为电子介体。这类细菌可以在阳极表面以多层生物膜的形式生长，从而使得由这类微生物MFC产电功率的提高不依赖于阳极表面积的大小，功率进一步提升的空间很大。这类细菌称为自介体产电菌。但目前富集具有分泌电子介体能力的细菌比较困难，需要特定的方法且周期较长，且电子介体是耗氧物质，将会增加出水中的COD。

综上所述，现有MFC技术虽然在构型、材料和产电菌方面取得重大突破，但均存在众多的理论与技术难点尚未得到很好的解决。要从整体上提高MFC污水处理效率和产电功率，将这些突破有机的整合在一起是必须的。因此，在解决现有MFC技术存在的理论与技术难点基础上开发耦合型MFC势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种构型简便、拆卸和操作方便、污水处理效率与产电功率高、廉价的耦合型单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池。

为了达到上述目的，本发明主要通过以下技术方案来实现：

单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池，包括单室型池体、阳极板、阴极板和顶盖，单室型池体为方形腔体结构，腔体内设有至少一块阳极板以及一块阴极板，阳极板与固定于池体边侧的阴极板呈垂直对称放置；阳极板与阴极板分别通过导线引出；池体底部设有进液口，池体侧面设有三分口，进液口与三分口共同组成池体的进出液通道；所述的阴极板由依次连接的微孔滤膜层、催化剂层、碳纸基本层和防水层组成；微孔滤膜层为带有微孔的亲水微滤膜，催化剂层为鉑催化剂与碳粉的混合物覆盖在碳纸基本层与池体内溶液接触的一面；在碳纸基本层与空气接触的一面则通过粉刷聚四氟乙烯薄涂层形成防水层。

所述的阳极板由碳纸构成，用去离子水煮沸1～3小时形成亲水处理。

所述催化剂层鉑催化剂粉含量按碳纸基本层面积计，为0.25～0.8mg/cm²，碳粉含量为1.25～4mg/cm²。