[实用新型]一种微生物燃料电池换液装置

说明书

本实用新型涉属于生物燃料电池技术领域，涉及一种微生物燃料电池换液装置，电极液配置器顶部参数调控装置上依次安装带调节阀的参数调节管、酸碱调节管、进气管、进液管、第一排气管、第一排液管、第二排气管和压力管，燃料电池上依次安装带调节阀的第二气液管、第三排气管和第二排液管，第二气液管上端通过鲁尔接头连接第一气液管，进气管的底部安装与电极液配置器底部留有间隙的砂芯曝气管，第一排液管与第二排气管、第一气液管连接于三通对接头，压力管连接带调节阀的压力球，解决现有技术中的微生物燃料电池阴阳极换液厌氧环境操作难度大、换液不彻底，容易伤害阳极电极上产电菌生物膜，影响水污染控制和水环境管理科学研究进度的问题。

技术领域

本实用新型属于生物燃料电池技术领域，涉及一种微生物燃料电池换液装置。

背景技术

水体污染状况随着社会经济的发展日益严重，我国每年排放约500亿吨废水，主要为有机废水。有机废水中含有可生化性以及不可生化性有机污染物，其中可生化性有机物在微生物的作用下会大量消耗水体中的溶氧，使水质恶化，它的含量反映了废水的重要理化性质。

微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)是一种产生电能的新方法，通过将废水中蕴含的低品位化学能转化为电能的装置。这种装置由负载微生物(主要是产电菌)、阳极和阴极组成，其工作过程可概括为：阳极有机物在微生物的氧化分解作用下，产生质子和电子，电子通过呼吸酶(NADH)与NAD⁺在胞内传递，而后通过纳米导线，膜蛋白接触或电子中介体等胞外电子传递机制到达阳极，经外电路到达阴极，同时电解液中的质子受电场力和浓度差的驱动从阳极室传递到阴极；电子和质子在阴极与电子受体(O₂，Fe(CN)₆^3-)之间发生还原反应。

MFC中有机物的能量转化分为熵变引起的热能和通过外电路负载获得的电能，外电路负载越大，能够获得的能量越高。当外电路负载趋近无限大时，MFC的能量相当于标准电池电动势中获得的自由能。然而事实上MFC很难达到标准电动势，因为在电极反应与传质过程中存在较大的能量损失，主要包括活化过电势，浓差过电势，欧姆过电势。活化过电势表示在电极表面发生电化学反应(阳极氧化、阴极还原过程)需要消耗的活化能。可从多个方面降低活化过电势：调控微生物生存环境包括pH，温度可保证较高的微生物活性以降低活化能；阳极产电微生物中G.sulfurreducens和S.oneidensis是两类主要的胞外产电菌群，它们既可以通过微生物外层膜上的细胞色素直接将电子传递给阴极，也可以利用自身代谢产生的电子中介体传递电子，外投电子中介体可以降低电子在微生物与电极间的能垒从而提高电子的有效传递；阳极、阴极本身的物理性质(粗糙度，比表面积，导电性等)，以及阴极氧还原催化剂及其载量也是影响活化过电势的重要因素。浓差过电势是当阳极氧化速率大于有机物的扩散速率，或者阴极氧扩散速率小于氧还原速率时，存在因反应物浓度限制造成的浓差极化，主要与电极表面的生物膜，水利条件以及反应器的构型设计有关，可以通过增大电极材料与反应物的接触面积，或者设置搅拌装置以减小浓差极化。欧姆过电势是质子传递阻力决定的，其主要影响因素是膜的尺寸、厚度、孔径以及电解液的电导率，电极间距等，欧姆阻抗与电流密度成线性正相关，通常减小电极间距或增大电导率可减小欧姆损失。

然而，微生物燃料电池阴阳极换液给诸多科研工作者带来困扰，尤其阳极换液需要厌氧环境，否则阳极厌氧产电菌很快被氧气杀死，导致换液后电池产电能力降低，传统的换液方式长期严重制约着MFC在水污染控制及水环境管理科学研究领域的深度发展。

针对传统MFC换液的的滞后性，有必要设计出一种既能保证整个换液过程处于厌氧环境中又能快速精准的换液装置；MFC换液装置设计首先要解决的问题是既要整个阳极换液过程的厌氧环境，又要精准快速换液，同时保证换液彻底，还要不伤害阳极电极上的产电菌生物膜，解决传统方法换液厌氧环境操作难度大、换液不彻底、破坏生物膜，换液速度慢等问题，对于推动水污染控制和水环境管理科学研究有重要意义。

实用新型内容