[发明专利]一种中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池阳极的产电装置及其产电方法

说明书

本发明涉及微生物电化学领域，具体为一种中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池阳极的产电装置及其产电方法，该产电装置包括阳极室和阴极室，阳极室以可导电的中空纤维膜组件作为电极材料，中空纤维膜组件通过连接气体钢瓶持续向微生物燃料电池提供气体底物甲烷作为电子供体，阴极室以碳粘作为电极材料；本发明适用于所有以气体作为底物的微生物燃料电池系统，改进的中空纤维膜组件不仅可以导电同时提高了气体底物的传质效率，从而提高了微生物燃料电池的产电效率；本发明将纤维膜反应器与微生物电化学系统集成在一起，促进了以气体甲烷为底物的微生物燃料电池技术的发展和能源的回收利用，同时也降低了温室气体甲烷的排放。

技术领域

本发明涉及微生物电化学领域，特别是涉及一种中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池阳极的产电装置及其产电方法。

背景技术

微生物燃料电池是一种新兴的电化学装置，可利用电活性细菌作为生物催化剂将有机质中的化学能转化为电能。从电活性细菌到电极的电子传递过程对于微生物燃料电池的产电性能至关重要。据报道，电子传递涉及中间介体或电子穿梭体介导的间接电子传递过程，以及膜相关的细胞色素或纳米线介导的直接电子传递过程。微生物燃料电池可以利用简单的化合物(例如乙酸盐，丙酸盐，丁酸盐，葡萄糖，乙醇和木糖)，也可以利用复杂的有机废水和沉积物等用于产电。甲烷是一种丰富的能源气体，且被认为是微生物燃料电池的潜在底物。然而，甲烷驱动的微生物燃料电池最近才开始研究，仍然存在许多未解决的问题和挑战。

由于甲烷较低的溶解度和厌氧微生物较长的倍增时间，甲烷驱动的微生物燃料电池目前尚不可进行工业应用。将甲烷直接曝气进入反应器需要消耗大量能量，并且很可能导致甲烷泄漏。为了避免这个问题，可以使用中空纤维膜来传送气体底物。在中空纤维膜体系中，甲烷通过无孔曝气膜进行供应，并且可通过减压阀控制气体流量，这不仅确保了甲烷供应的安全性，而且还提高了甲烷的传质效率。但是，传统的纤维膜是不可导电的，不能用作微生物燃料电池的阳极材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明利用碳纤维缠绕中空纤维膜丝的表面，构建了一个可导电的中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池的阳极进行产电，促进了甲烷的原位利用，并且可以最大程度地减少甲烷存储和分配过程中发生泄漏的可能性，减缓全球温室效应。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种中空纤维膜组件作为甲烷驱动的微生物燃料电池阳极的产电装置，包括阳极室和阴极室，所述阳极室与阴极室通过上下两个质子交换膜隔开，该产电装置还包括：

可导电的中空纤维膜组件，设于阳极室内作为电极材料；

气体钢瓶，通过导气管与中空纤维膜组件相连，用于持续向微生物燃料电池提供气体底物甲烷；

碳粘，设于阴极室内作为电极材料；

参比电极，安装于阳极室上且其末端伸入阳极室中；

出气口，设置于阳极室的顶部，用于多余气体的排出；

pH计，安装于阳极室的侧壁上且其监测端伸入阳极室中，用于监测阳极室中的pH；

蠕动泵，其输入端与输出端分别与阳极室相连通，用于驱动阳极室内液体进行内循环；

温度计，安装于阴极室上且其测温端伸入阴极室中，用于监测阴极室内的温度；

稳压阀，安装于与气体钢瓶相连的导气管上；

上述阳极室和阴极室通过导电线与外电阻连接形成一个通路。