[实用新型]光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电池系统，尤其涉及一种微生物燃料电池。

背景技术

能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，对人类社会可持续发展构成了严重威胁。应用广泛的城镇污水处理工艺包括传统活性污泥工艺及变形，如厌氧-缺氧-好氧法（A²O）工艺、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）工艺等。这些工艺对污染物的去除效果好，但运行能耗高、剩余污泥产量大。实际上，污水中蕴含了巨大的能量，1kg化学需氧量（COD）完全氧化为水和CO₂理论上可以产生3.86kW·h的能量，如果生活污水以400mg/LCOD计，则所含能量为1.544kW·h/m3，是我国污水处理厂处理1m3污水平均电耗的5.3倍。近几年微生物燃料电池（MFC）的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但是距离实际的工业化应用还有很大距离。其一，微生物燃料电池的输出功率密度低、产生电压低、电能难以回收利用；其二，微生物燃料电池降解的污染物质主要是无生物毒性的有机物，对持久性有机物的降解效果差。这大大的限制了微生物燃料电池在污染物降解方面的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：本实用新型光催化和生物复合阳极与生物阴极耦合燃料电池包括反应容器，所述反应容器被第一分隔腔和第二分隔腔分隔为光阳极室、微生物阳极室和阴极室，微生物阳极室位于光阳极室和阴极室之间；所述微生物阳极室内为厌氧环境，所述阴极室为好氧环境，所述光阳极室内置有光催化阳极，所述微生物阳极室内置有用于生长产电微生物的生物阳极，所述阴极室内置有生物阴极；光阳极室设有光阳极室进水口和光阳极室出水口，微生物阳极室设有微生物阳极室进水口和微生物阳极室出水口，阴极室设有阴极室进水口、阴极室出水口和阴极室出气口；所述光阳极室出水口通过所述第一分隔腔与微生物阳极室进水口连通而使光阳极室内的水流能够进入微生物阳极室；所述微生物阳极室出水口通过所述第二分隔腔与阴极室进水口连通而使微生物阳极室内的水流能够进入阴极室；所述光催化阳极和所述生物阴极之间串联有第一外电阻，所述生物阳极和所述生物阴极之间串联有第二外电阻。

进一步地，本实用新型所述光阳极室的侧壁上设有石英玻璃窗口。

进一步地，本实用新型在反应容器的外部设有光源，所述光源发射的光能够通过所述石英玻璃窗口进入所述光阳极室内以使光阳极室内的光催化阳极进行光催化反应。

进一步地，本实用新型还包括为所述阴极室提供氧气的供氧装置。

进一步地，本实用新型所述供氧装置包括相互连通的曝气头和空气泵，其中，所述曝气头置于阴极室进水口处或置于阴极室内，所述空气泵置于所述反应容器的外部。

进一步地，本实用新型所述光阳极室进水口低于光阳极室出水口，所述微生物阳极室进水口低于光阳极室出水口，所述微生物阳极室进水口低于微生物阳极室出水口，所述阴极室进水口低于微生物阳极室出水口，所述阴极室出水口高于阴极室进水口。

进一步地，本实用新型所述阴极室的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：（1）将光电催化技术与微生物燃料电池技术耦合在一起，即采用“光催化+厌氧+好氧”技术，利用光催化无选择性降解污染物的特性，先将具有生物毒性的物质降解为毒性低的小分子，然后进入微生物阳极室进行厌氧生物降解，再进入阴极室进行好氧生物降解，强化难降解污染物的去除；（2）光催化燃料电池的连接可以有效提高微生物燃料电池的阴极电位，进而提高微生物燃料电池的产能；（3）采用将具有电化学活性的生物膜作为阴极催化剂，在生长代谢的同时催化阴极反应，具有稳定、可再生的特点，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本；（4）利用光阳极室的内侧侧壁与微生物阳极室一侧侧壁之间以及微生物阳极室另一侧侧壁与阴极室的内侧侧壁之间的空间作为各个室之间的物理阻隔，能够有效保障微生物阳极室的生物反应不受阳极室光催化反应的影响，有效阻断氧气从阴极室向微生物阳极室的扩散，保障阳极室的绝对厌氧环境；同时通过废水从光阳极室向微生物阳极室，再从微生物阳极室向阴极室的溢流而达到传递质子的目的，因此利用反应容器本身的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应容器成本；（5）能以废水为燃料生产电能，实现废水处理和产电的同步进行，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理的成本。

附图说明