CN106898803A - 一种多效光合微生物燃料电池及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多效光合微生物燃料电池及实现方法，其阴极室、脱盐室、阳极室依次设置于槽体内，相互之间通过阳极膜进行间隔；阳极室内部添加胞外产电细菌，并在其中插入阳极电极；阴极室内部添加微藻并插入涂有催化剂涂层的阴极电极；脱盐室中设置一组电容极板，电容极板分为正电容极板和负容电容极板，正电容极板与负电容极板穿插放置，相邻两电容极板间放置绝缘层，负电容极板与阳极电极连接，正电容极板与阴极电极连接；所述阴极室中产生O₂，阳极室中产生CO₂、电子和质子，所述质子穿过所述阳极膜到达阴极室,在催化剂的作用下，与O₂发生电化学作用形成稳定氧化物。本发明可提高脱盐速率同时有效去除氮磷。

Description

一种多效光合微生物燃料电池及实现方法

技术领域

本发明涉及一种微生物脱盐燃料电池技术领域，特别是一种多效光合微生物燃料电池及实现方法。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是以微生物氧化有机物并产生电流的装置，其最大的优势是在处理废水的同时可以同步获取电能，从而降低废水处理的运行成本。如专利高效率微生物燃料电池(申请号：201180024710.2)，采用胞外产电细菌(细菌)为阳极，阴极与空气接触。

虽然在过去的几年中，MFC的功率密度已从最初的11Wm^-3增加到4000Wm^-3，但因其输出功率低，回收电能难以再利用的缺点限制了其在实际中的应用。专利一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术(申请号：201310467063.3)通过耦合电容去离子(CDI)对电能进行了利用，即MFC阳极室中附着电极生长的产电细菌利用废水中有机物产生电能，通过外电路将阳极和阴极两个电极连接至CDI装置的活性炭电极实现脱盐。但是上述方法并没有提高MFC的效率，同时外接电容装置致使结构复杂，也限制了其实际生产中的应用。

微生物脱盐燃料电池(microbial desalination cell，MDC)是一项以微生物燃料电池(MFC)为基础的新型除盐技术，MDC是在MFC的阳极室和阴极室间加上阳离子交换膜(CEM)和阴离子交换膜(AEM)，形成一个中间脱盐室，在无需任何外加压力和电场的作用下，依靠生物电化学系统阴阳极间的电场推动脱盐室盐溶液离子的去除，同步降低了阴阳极间的内阻，从而提高了MFC的输出功率。虽然阳极室溶液电导率的升高会一定程度上提高脱盐效率和产能，但脱盐室的阴阳离子分别进入阳极室及阴极室，并没有实现真正意义上盐离子的脱除。

MDC面临的另一问题是阴阳极室pH失衡，随着阳极室阴离子的累积和pH的降低，极大地限制了微生物的产电能力，进而影响脱盐效率，同时影响产电菌的活性。专利一种微生物电容脱盐燃料电池技术(申请号：201410824619.4)对MDC进行了改进，采用在微生物脱盐燃料电池中加入两张阳离子交换膜代替现有技术的一张阴离子交换膜和一张阳离子交换膜相结合的方法，并将以活性炭布作为电极的电容去离子单元耦合进来分隔阳极室和阴极室，使得质子可以透过阳离子交换膜和活性炭布在阳极室、脱盐室、阴极室三室间自由转移，达到稳定各室pH的效果。当电极的吸附容量达到饱和时，让电极短路或者施加反向电场，被吸附的离子重新回到水中形成浓水排走，同时电极得到再生。这种方法虽然可以克服MDC的pH不均衡、不能实现原位连续处理等缺点，但由于两电容极板的距离限制，导致脱盐室的体积受到限制，降低了盐溶液的处理量，同时脱盐速率低，盐脱除率较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多效光合微生物燃料电池，以及实现该光合微生物燃料电池的方法。即在脱盐室中添加电容组，阴阳极板交叉错落放置，通过电容极板数量的增减及距离上的调整匹配脱盐室的空间体积，提高脱盐速率；将阴极耦合微藻光生物反应器，利用微藻在进行光合作用释放出氧气代替传统的空气阴极，同时对于氮磷的去除具有良好的效果。

本发明决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：包括阴极室、阳极室、脱盐室和槽体，所述阴极室、阳极室及脱盐室均设置于槽体内，相互之间通过阳极膜进行间隔，所述脱盐室位于阴极室与阳极室之间；所述阳极室内部添加胞外产电细菌，并在其中插入阳极电极；所述阴极室内部添加微藻并插入涂有催化剂涂层的阴极电极；所述脱盐室中设置一组由电容极板构成的电容组，所述电容极板分为正电容极板和负容电容极板，正电容极板与负电容极板穿插放置，相邻的两电容极板间放置绝缘层，负电容极板与所述阳极电极连接，正电容极板与所述阴极电极连接；所述阴极室中产生O₂，阳极室中产生CO₂、电子和质子，所述质子穿过所述阳极膜到达所述阴极室,在催化剂的作用下，与微藻光合作用释放的O₂发生电化学作用形成稳定氧化物；

反应化学式包括：

阳极：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e_- (1)

阴极：O₂+4H⁺+4e_-→2H₂O (2)。

所述阳极电极由碳纤维和钛丝制成，所述阴极电极上覆盖涂抹碳铂催化剂的导电碳布。

所述的电容极板为活性碳布纤维电容极板。

所述的脱盐室的电容组四周留有能使阳极室中产生的质子流动至阴极室中参与氧化还原反应的空间。

所述质子为H⁺。

所述的胞外产电细菌为脱硫弧菌类、普通变形杆菌、假单胞菌属、梭菌属、土杆菌属、泥弧菌属、西瓦、硫酸盐还原菌、还原脱硫光敏斑菌等中的一种或几种。

所述的阴极室的体积为阳极室的1.5～2倍。

所述的阴极室、阳极室、脱盐室的体积比为1.55：1.0：0.9。

所述阳极膜采用两张阳离子交换膜交叠，阳离子交换膜为透过率不小于90％的工业用电渗析阳离子交换膜，厚度为0.2～0.5mm，爆破强度不小于0.3Mpa，所述绝缘层采用两层塑料网交叠。

一种实现如权利要求1-9中所述多效光合微生物燃料电池的方法，其包括如下步骤：

1)在阴极室、阳极室中通入富养废水，在脱盐室中通入高盐废水；将电容组的负电容极板通过阳极导线连接阳极电极，电容组的正电容极板通过阴极导线连接阴极电极；

2)阴极室中投放微藻藻种，在阳极室中投放胞外产电细菌；

3)微藻在阴极室中吸收富养废水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等营养物质，并进行光合作用产生O₂；

4)阴极室中污水采取连续化处理，通过停留时间的控制，保证大部分N、P得以去除，藻液浓度趋于稳定，对排出藻液进行藻细胞搜集及获取，出水进入阳极室；

5)在阳极室中，有机污染物及残余微藻在胞外产电细菌的作用下氧化分解为CO₂、电子和H⁺质子，H⁺质子和CO₂通过阳极膜和脱盐室进入阴极室，电子则通过阴极导线传递到电容组中储能；

6)阴极室中H⁺质子与O₂在催化剂的作用下结合，生成稳定的氧化产物；

7)脱盐室中高盐废水的正负离子分别富集在电容组的负电容极板及正电容极板表面；

8)在正电容极板与负电容极板吸附的离子接近饱和时，将负电容极板连接阴极电极，正电容极板连接阳极电极，使电容极板上吸附的离子脱附进入溶液中排出。

本发明的优点和有益效果为：

1、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，其高盐废水进入脱盐室，富含营养物质的废水进入阴、阳极室，在阳极室中，胞外产电细菌氧化有机污染物产生电子和质子(H⁺)；阴极室中利用微藻在进行光合作用释放出氧气代替传统的空气阴极，通过吸收光能和污水中氮磷等营养物质实现自身生长并产生氧气，并在催化剂的作用下，接收质子(H⁺)、电子生成稳定的氧化产物(H₂O)；从而在阴阳电极之间连接的电容组的电容极板间产生电场，推动脱盐室中离子的去除。本发明无需外加电压即可实现电能输出、去除水中重金属、氮磷脱除、分解COD、高盐污水淡化、获取微藻生物质等高附加值产品等功能。

2、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，当电容电极接近吸附饱和时，将阴阳两生物电极反接到电容电极上，通过改变电容极板的极性，使电极上吸附的离子脱附进入溶液中并随冲洗液一同排放，既实现电容极板上盐离子的原位去除，并且在电容极板再生的过程中，阴、阳两极室的反应也持续进行，污水处理可连续化进行。

3、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，本发明的操作条件温和，通常在常温、常压近中性的环境中工作，安全性强，运行成本低。

4、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，由于H⁺可以通过阳极膜，在三室之间穿梭，达到了平衡三室pH值的作用，从而避免了由于离子转移造成的阴极室、阳极室内液盐度和pH不均衡的问题，为系统长期运行提供了保障。

5、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，由于脱盐室的体积不受电容极板的距离限制，较光合微生物脱盐燃料电池相比，提高了可溶性固体的去除效率。

6、本多效光合微生物燃料电池及实现方法，在脱盐室中添加电容组，阴阳极板交叉错落放置，通过电容极板数量的增减及距离上的调整匹配脱盐室的空间体积，提高脱盐速率；将阴极耦合微藻光生物反应器，利用微藻在进行光合作用释放出氧气代替传统的空气阴极，同时对于氮磷的去除具有良好的效果。

附图说明

图1为本发明的光合微生物燃料电池结构示意图；

图2为图1中脱盐室内A部分反应示意图。

附图标记说明

1-阴极室、2-阳极室、3-脱盐室、4-槽体、5-阳极膜、6-阳极电极、7-阴极电极、8-电容组、9-绝缘层、10-阳极导线、11-阴极导线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的多效光合微生物燃料电池包括阴极室1、阳极室2、脱盐室3和槽体4，阴极室1、阳极室2、脱盐室3设置与槽体4之内，相互之间通过阳极膜5间隔，脱盐室3位于阴极室1与阳极室2之间。其中，阳极室2为产电细菌培养室，内部添加胞外产电细菌，并在其中插入由碳纤维和钛丝制成的阳极电极6。阴极室1为微藻光反应室，内部添加微藻，并在其中插入阴极电极7，阴极电极7上覆盖涂抹碳铂催化剂的导电碳布。胞外产电细菌包括脱硫弧菌类、普通变形杆菌、假单胞菌属、梭菌属、土杆菌属、泥弧菌属、西瓦、硫酸盐还原菌、还原脱硫光敏斑菌的一种或几种。

脱盐室3中设置电容组8、绝缘层9，电容组8置于脱盐室3中部，四周留有能使阳极室2中产生的质子(H⁺)流动至阴极室1中参与氧化还原反应的空间。电容组8由多对电容极板构成，电容组8的电容极板为活性碳布纤维电容极板，分为正电容极板和负电容极板，正电容极板与负电容极板穿插放置，相邻的两电容极板间放置绝缘层9，起到绝缘的作用。负电容极板与阳极导线10的一端连接，正电容极板与阴极导线11的一端连接，阳极导线10的另一端连接阳极电极6，阴极导线11的另一端连接阴极电极7，阳极电极6、阴极电极7、电容组8构成电池电路，其中电容组8作为储能元件。

本实施例中，由于阴极室1中光合速率相比于阳极室2中的细菌代谢速率慢，因此阴极室1的体积约为阳极室2的1.5～2倍，优选阴极室1、阳极室2、脱盐室3的体积比为1.55：1.0：0.9。阳极膜5优选采用两张阳离子交换膜交叠，阳离子交换膜为透过率不小于90％的无毒的工业用电渗析阳离子交换膜，厚度为0.2～0.5mm，爆破强度不小于0.3Mpa。绝缘层9优选两层塑料网交叠。

燃料电池内部的反应过程为：

将高COD废水(如生活污水、经过预处理后的养殖废水等)通入阴极室1、阳极室2，将高盐废水通入脱盐室3。在阴极室1中，微藻在光照的情况下吸收高COD废水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等营养物质，并吸收CO₂进行光合作用，产生O₂可作为电子受体，同时实现自身生物质的累积；待系统稳定后，连续进水，阴极室1内存留的COD较高的藻液用泵引出，进行微藻收集后，将出水直接作为阳极室2的入水进行补充，通过水力停留时间的控制，保证阴极室中大部分氮磷得以去除，微藻细胞浓度基本保持不变。

在阳极室2中，胞外产电细菌利用污水中剩余的氮磷将有机污染物和残余藻体氧化分解为CO₂、电子和质子(H⁺)，实现污水的净化。其中，CO₂可被连通富集至阴极室1，促进微藻的光合作用，电子通过阳极导线10传递到电容组8中存储，质子则穿过阳极膜5和脱盐室3到达阴极室1。在阴极电极7表面，在催化剂的作用下，质子、电子和电子受体(微藻产生的O₂)发生反应，最终生成稳定的氧化产物(H₂O)。

反应化学式包括：

阳极：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e_- (1)

阴极：O₂+4H⁺+4e_-→2H₂O (2)

如图2所示，由于脱盐室3中的电容组8的正电容极板与负电容极板具有相同的电势，进而在电容极板表面与溶液间形成双电层，使脱盐室3中的离子分别富集在具有相反极性的电容极板表面，从而实现去除大部分离子的目的。同时，H⁺可以通过阳极膜5，在三室之间穿梭，达到了平衡三室pH值的作用，从而避免了由于离子转移造成的阴极室1、阳极室2内液盐度和pH不均衡的问题。

在电容组8的正电容极板与负电容极板吸附的离子接近饱和时，将负电容极板与阴极导线11连接，正电容极板与阳极导线10连接，即将阳极电极6、阴极电极7反接到正电容极板和负电容极板上，这样在电容组8的电容极板间就形成了与脱盐阶段相反的电势，吸附于电容极板上的离子在同性相排斥及相反电势的驱动下解吸，形成浓缩液，可在后续工艺中回收利用。

综上所述，实现上述多效光合微生物燃料电池的方法，包括以下步骤：

1)在阴极室1、阳极室2中通入高氮磷、高COD的富养废水，在脱盐室3中通入高盐废水；将电容组8的负电容极板连接阳极电极6，正电容极板连接阴极电极7；

2)阴极室1中投放微藻藻种，在阳极室2中投放胞外产电细菌；

3)微藻在阴极室1中吸收高COD废水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等营养物质，并进行光合作用产生O₂；

4)阴极室1中污水采取连续化处理，通过停留时间的控制，保证大部分N、P得以去除，藻液浓度没有明显变化，对排出藻液进行藻细胞搜集及获取，出水进入阳极室2；

5)在阳极室2中，有机污染物及残余微藻在胞外产电细菌的作用下氧化分解为CO₂、电子和H⁺质子，质子和CO₂通过阳极膜5和脱盐室3进入阴极室1，电子通过阴极导线11传递到电容组8中储能；

6)阴极室1中质子与O₂在催化剂的作用下结合，生成稳定的氧化产物；

7)脱盐室3中高盐废水的正负离子分别富集在电容组8的负电容极板及正电容极板表面；

8)在正电容极板与负电容极板吸附的离子接近饱和时，将负电容极板连接阴极电极7，正电容极板连接阳极电极6，使电容极板上吸附的离子脱附，随洗脱液排出。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：包括阴极室、阳极室、脱盐室和槽体，所述阴极室、阳极室及脱盐室均设置于槽体内，相互之间通过阳极膜进行间隔，所述脱盐室位于阴极室与阳极室之间；所述阳极室内部添加胞外产电细菌，并在其中插入阳极电极；所述阴极室内部添加微藻并插入涂有催化剂涂层的阴极电极；所述脱盐室中设置一组由电容极板构成的电容组，所述电容极板分为正电容极板和负容电容极板，正电容极板与负电容极板穿插放置，相邻的两电容极板间放置绝缘层，负电容极板与所述阳极电极连接，正电容极板与所述阴极电极连接；所述阴极室中产生O₂，阳极室中产生CO₂、电子和质子，所述质子穿过所述阳极膜到达所述阴极室,在催化剂的作用下，与微藻光合作用释放的O₂发生电化学作用形成稳定氧化物；

反应化学式包括：

阳极：C₆H₁₂O₆+6H₂O→6CO₂+24H⁺+24e^- (1)

阴极：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O (2)。

2.根据权利要求1所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极电极由碳纤维和钛丝制成，所述阴极电极上覆盖涂抹碳铂催化剂的导电碳布。

3.根据权利要求1所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述的电容极板为活性碳布纤维电容极板。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述的脱盐室的电容组四周留有能使阳极室中产生的质子流动至阴极室中参与氧化还原反应的空间。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述质子为H⁺。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述的胞外产电细菌为脱硫弧菌类、普通变形杆菌、假单胞菌属、梭菌属、土杆菌属、泥弧菌属、西瓦、硫酸盐还原菌、还原脱硫光敏斑菌等中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述的阴极室的体积为阳极室的1.5～2倍。

8.根据权利要求1或7所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述的阴极室、阳极室、脱盐室的体积比为1.55：1.0：0.9。

9.根据权利要求1或2或3或4或7所述的一种多效光合微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极膜采用两张阳离子交换膜交叠，阳离子交换膜为透过率不小于90％的工业用电渗析阳离子交换膜，厚度为0.2～0.5mm，爆破强度不小于0.3Mpa，所述绝缘层采用两层塑料网交叠。

10.一种实现如权利要求1-9中所述多效光合微生物燃料电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在阴极室、阳极室中通入富养废水，在脱盐室中通入高盐废水；将电容组的负电容极板通过阳极导线连接阳极电极，电容组的正电容极板通过阴极导线连接阴极电极；

2)阴极室中投放微藻藻种，在阳极室中投放胞外产电细菌；

3)微藻在阴极室中吸收富养废水中的大部分N、P及小部分可被利用的小分子碳源等营养物质，并进行光合作用产生O₂；

4)阴极室中污水采取连续化处理，通过停留时间的控制，保证大部分N、P得以去除，藻液浓度趋于稳定，对排出藻液进行藻细胞搜集及获取，出水进入阳极室；

5)在阳极室中，有机污染物及残余微藻在胞外产电细菌的作用下氧化分解为CO₂、电子和H⁺质子，H⁺质子和CO₂通过阳极膜和脱盐室进入阴极室，电子则通过阴极导线传递到电容组中储能；

6)阴极室中H⁺质子与O₂在催化剂的作用下结合，生成稳定的氧化产物；

7)脱盐室中高盐废水的正负离子分别富集在电容组的负电容极板及正电容极板表面；

8)在正电容极板与负电容极板吸附的离子接近饱和时，将负电容极板连接阴极电极，正电容极板连接阳极电极，使电容极板上吸附的离子脱附进入溶液中排出。