申请日2016.04.28
公开(公告)日2016.07.27
IPC分类号H01M8/16; H01M4/96; H01M8/021; C02F3/00; C02F3/28; C02F3/30; C02F3/34
摘要
一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，属于生物电池技术领域。该装置由阳极和阴极两部分组成，阳极部分包括碳纤维刷和电流收集器，阴极部分包括碳刷、PVC管和除泥装置。阳极置于污水处理工艺的厌氧区，阴极置于缺氧区或好氧区，通过导线和负载连接产生电流。使用电流收集器强化阳极，使用除泥装置延长阴极运行时间。也可以将多个阳极或阴极分别结合增强产电效果。该装置结构简单、成本低廉、安装方便，可以直接与传统污水处理工艺结合。
权利要求书
1.一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，其特征在于，主要由阳极和阴极两部分组成;
所述阳极部分包括碳纤维刷(以下简称碳刷)和电流收集器;碳刷是将碳纤维用丙酮浸泡过夜并置于马弗炉中在450℃加热30分钟，脱去表面胶质，增强挂膜能力，处理好的碳纤维剪成段，在制刷机上用双股钛丝和碳纤维拧紧制成圆柱状毛刷;电流收集器由不锈钢板卷制成圆筒状，下部设有进水口，对立面上部设有出水口，将阳极碳刷置于不锈钢电流收集器中并上下固定，不锈钢电流收集器起到捕获电子并传递给碳刷的作用;
所述阴极部分包括碳刷、PVC管和除泥装置;碳刷的规格和制作过程与阳极相同;PVC管为圆筒状，下部设有进水口，对立面上部设有出水口;阴极碳刷固定在圆筒状PVC管中;除泥装置由不锈钢丝制成，下面为圆环或椭圆环的套环，不锈钢丝柄下端焊接在套环一侧，除泥装置置于PVC圆筒中能够临时固定，套环套住阴极碳刷并位于PVC管底部;不锈钢丝露出圆筒顶端一段长度，并安装把手。
2.按照权利要求1所述的一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，其特征在于，阳极部分：将处理好的碳纤维剪成5cm的小段，在制刷机上用双股钛丝拧紧制成圆柱毛刷状，刷头长50-80cm，钛丝丝径1mm，钛丝柄长50cm;电流收集器的圆筒直径5cm，长80cm，下部为进水口，口径2cm，对面上部为出水口，口径2cm。
3.按照权利要求1所述的一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，其特征在于，阴极部分PVC管圆筒直径为7cm，长50-80cm，下部为进水口，口径2cm，对面上部为出水口，口径2cm;除泥装置不锈钢丝直径5mm，下端套环为椭圆形，椭圆长直径5cm，短直径2cm;套在阴极碳刷底部。
4.按照权利要求1所述的一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置的应用方法，其特征在于，将上述阳极部分置于污水处理工艺的厌氧区，将阴极部分置于污水处理工艺的好氧区或缺氧区，进水口分别迎水流方向，钛丝露出水面一段距离，使用导线将两极连接，启动阶段两极间连接100Ω的外电阻，待电极生物膜形成产生电流后将外电阻换成其他负载。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，阳极部分为多个阳极组成的阳极堆，互相之间用导线连接，阴极部分为多个阴极组成的阴极堆，互相之间用导线相连，再进一步构成MFC。
说明书
一种可与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置
技术领域
本发明涉及一种可以与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，属于生物电池技术领域。
背景技术
传统污水处理工艺正面临着排放标准提高，节能压力巨大的窘迫现状。于此同时，污水中本身蕴含着丰富的生物质能，研究表明，1kg生物质的化学需氧量(COD)相当于4kWh的能量。如何将污水中的这部分污染物变为有用的能源成为当今污水处理领域的研究热点，以实现增强污水处理效果并减少能耗这一目标。
微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是一种生物电化学系统，利用微生物的催化作用，将污水中的化学能转变为电能。符合环境友好、节约能源的要求，是在污水处理和新能源领域一项非常有应用前景的技术。但目前关于MFC的研究仍处于实验室水平，难以扩大并应用在实际的污水处理中。
MFC技术难以实际应用的原因在于：
1、MFC反应器的放大会产生传质死区，使内阻变大，并且对污水的利用率变低;
2、成本高，MFC的结构主要包括阳极、阴极和隔膜，其中隔膜材料往往在几千元/平方米，严重限制了MFC的规模化应用;
3、输出功率密度低，当前使用的电极材料多为碳基材料，其导电性和生物相容性有一定矛盾致使阳极性能不理想;
4、阴极使用氧气作为电子受体时，通常需要使用化学催化剂提高产电性能，可能会造成二次污染，并不符合MFC可持续发展理念;
5、阴极使用微生物作为催化剂时，长期运行条件下会导致与产电无关的异养型微生物大量生长，使生物膜变厚，影响产电效果。
发明内容
基于以上所述MFC存在的不足，本发明提出了一种无膜微生物燃料电池装置，不添加化学催化剂，同时在阳极使用电流收集器增强阳极导电性，在阴极使用除泥装置去除多余生物膜。该装置可以与传统污水处理工艺结合产生电能。
所述装置主要由阳极和阴极两部分组成。
所述阳极部分包括碳纤维刷(以下简称碳刷)和电流收集器;碳刷是将碳纤维用丙酮浸泡过夜并置于马弗炉中在450℃加热30分钟，脱去表面胶质，增强挂膜能力，处理好的碳纤维剪成段，在制刷机上用双股钛丝和碳纤维拧紧制成圆柱状毛刷(双股钛丝为中轴线，碳纤维均匀分布在中轴线周围形成圆柱状毛刷);电流收集器由不锈钢板卷制成圆筒状，下部设有进水口，对立面上部设有出水口，将阳极碳刷置于不锈钢电流收集器中并上下固定，不锈钢电流收集器起到捕获电子并传递给碳刷的作用(优选碳纤维与不锈钢电流收集器有接触)，可有效提高MFC的产电能力。
所述阴极部分包括碳刷、PVC管和除泥装置;碳刷的规格和制作过程与阳极相同;PVC管为圆筒状，下部设有进水口，对立面上部设有出水口;阴极碳刷固定在圆筒状PVC管中;除泥装置由不锈钢丝制成，下面为圆环或椭圆环的套环，不锈钢丝柄下端焊接在套环一侧，除泥装置置于PVC圆筒中能够临时固定，套环套住阴极碳刷并位于PVC管底部;不锈钢丝露出圆筒顶端一段长度，并安装把手。
将上述阳极部分置于污水处理工艺的厌氧区，将阴极部分置于污水处理工艺的好氧区或缺氧区，进水口分别迎水流方向，钛丝露出水面一段距离，使用导线将两极连接，启动阶段两极间连接100Ω的外电阻，待电极生物膜形成产生电流后将外电阻换成其他负载。
本发明可以与污水处理工艺结合的无膜微生物燃料电池电极装置，阳极置于厌氧区可以强化有机污染物的去除，阴极可置于好氧区或缺氧区，通过导线连接构成微生物燃料电池，不需要消耗额外能量的同时产生一定的电能，阴极置于缺氧区还可以提高反硝化效果，促进硝氮、亚硝氮的去除。
该装置具有以下优势：(1)无膜，成本较低，(2)不使用化学催化剂，没有二次污染，环境友好;(3)电流收集器增强了MFC的产电能力;(4)长期运行时可以消除生物膜增厚的影响，增强连续运行的稳定性;(5)安装简单，易与现有污水处理工艺结合;(6)阳极安装在厌氧区可以增强有机物的去除能力，阴极安装于好氧区不用另外增加曝气消耗，安装在缺氧区可以增强脱氮能力;(7)可将多个阳极相连组成阳极堆，多个阴极相连组成阴极堆，增强电流输出。
