[发明专利]无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，特别是一种无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池，通过结构设计降低内阻、提高产电效率，在能源与环境技术领域有广阔前景。

背景技术

作为极具发展潜力的能源与环境技术，微生物燃料电池技术正在可更新能源和有机废水处理领域受到人们的重视。一般地，微生物燃料电池是由两个电极室构成，阴、阳电极分别设置于阴极室和阳极室内，两个电极室由离子交换膜分开，电极通过外电路连接。在阳极室内，以纯培养的产电菌或者混合菌种产电菌接种，通过微生物生化作用，以废水中的有机污染物作为电子供体，电子经外电路传输至阴极，阳极中产生的质子在阳极室传输至阴极，质子和电子在阴极与电子受体反应，从而实现对有机污染物降解。因微生物燃料电池具有独特技术优点，如：不需要外加能源，封闭运行而不对环境产生污染，独立运行程度高而管理方便，最重要的是在去除有机污染物的同时能够将有机污染物化学键中的化学能以电能形式回收，具有广阔应用前景。

然而，微生物燃料电池技术的完善提高仍然面临一些问题。一是微生物燃料电池成本高。在常规的微生物燃料电池中，需要将阴阳极电极液分离开来，还要求生化反应所产生的带正电荷的离子能够从阳极移动阴极，这就要求必须使用离子交换膜。离子交换膜在成本中占有显著比例。另一方面，在阳极室内生化作用产生的电子需要被转移到阳极上，一般地，电子这种转移效率较低，需要借助电子转移介体的帮助来提高效率，而这种电子转移介体物质价格昂贵，而且常常带来二次污染。在成本和产电效率上的这一矛盾掣肘微生物燃料电池的进步。二是所产电能在内阻上消耗比例大。常规的双电极室微生物燃料电池的内阻很高，在所生成总电势一定的前提下，依靠提高外阻抵消内阻高的影响是不可行的。电池内阻主要来源于电极电阻、扩散电阻和极化电阻。因此电极材料、电池构造设计、电极液选择影响了微生物燃料电池内阻的削减。三是菌种选择。许多类型的微生物燃料电池使用的是纯培养菌种，以此为基础的微生物燃料电池受限于废水处理。有的类型菌种不能够将产生的电子传递至阳极，这就要求电子转移介体的使用，造成成本的升高。厌氧产电菌是微生物燃料电池生化反应的承载体，直接关系到微生物燃料电池的效能。

微生物燃料电池需要在制造和运行成本、产电效率、菌种选择等方面改进，提高微生物燃料电池商业化潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池，该微生物燃料电池采用双圆筒结构分别形成阳极室和阴极室，该电极室可以使阴极室内电子受体与来自阳极的质子和电子有效接触并反应，可用于处理高浓度有机废水和生活污水并回收电能。

为实现上述目的，本发明设计了一种无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室和外电路，其特征在于所述阳极室位于圆柱形筒的内部，其中心设有一个碳棒，并在圆柱形筒内部填充有颗粒活性炭；所述阴极室位于阳极室圆柱形筒与套装在阳极室外的外筒间的环状区域；所述圆柱形筒的筒壁为多孔状，且在筒壁的内侧和外侧分别附有阳极炭布和阴极炭布；所述阳极室和阴极室还分别设有阳极液和阴极液的入水口和出水口。

本发明具有以下有益效果：

1)能够有效去除污水中有机污染物的同时，回收机污染物中储存的能量；

2)无交换膜无电子转移介体，不需要曝气提供氧气做电子受体，减少了反应器建造成本，避免了介体带了的二次污染；

3)其电极间距由多孔板厚度调节确定，有效降低电荷传递内阻，减少了所产电能在能组上的损失；

4)柱形电极室使电子受体均匀接触阴极，有机废水与颗粒活性炭均匀接触，扩大了生物膜面积，颗粒活性炭以碳棒与阳极炭布连接，加快了反应速度。

采用本发明，不仅可以较低成本去除废水中有机污染物，还能以较高库伦效率将有机污染物中的化学能以电能的形式回收，工艺和运行管理简单，有广阔商业应用前景。

附图说明

图1无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池示意图；

图2无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池内筒壁局部放大示意图。

图中：1.外电路，2.电子受体溶液入口，3.圆柱形阳极室，4.电子供体原水入口，5.电子受体溶液出口，6.环形阴极室，7.碳棒，8.检测孔，9.电子供体原水出口，10.阳极炭布，11.阴极炭布，12.圆柱形筒壁。

具体实施方式

下面以具体实施例来阐述无离子交换膜无介体柱型微生物燃料电池的制备：