无氧阴极光电微生物燃料电池制造技术

本实用新型专利技术涉及一种无氧阴极光电微生物燃料电池。一种无氧阴极光电微生物燃料电池，其结构主要包括由污泥、溶液两相自然分层形成的阳极室和阴极室，所述阳极室内设阳极，所述阴极室内设阴极和紫外光源，阳极和阴极由导线外接电阻相连，紫外光源由自控开关控制；所述阳极室内填充有生物炭颗粒，起到生物膜载体及三维电极粒子的作用；所述阴极室溶液内分散有纳米TiO2粉，作为光催化剂；本实用新型专利技术利用自身阳极室所产CO2作为阴极电子受体，通过在阴极室光催化还原CO2为CH4，实现阴极无氧化，并收集经还原所得CH4和厌氧消化所产CH4，结构简单，可操作性强，在提高微生物燃料电池产电效能的同时，提高所产CH4的产量和品质。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微生物燃料电池技术、光催化技术、三维电极技术、生物炭应用技术及甲烷生产利用
，具体涉及一种无氧阴极光电微生物燃料电池。
技术介绍
微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC），是一种利用微生物代谢过程，将生物质中的化学能直接转化为电能的生物电化学装置。MFC可以利用农林废弃物、污泥、城市垃圾、工业污染废水等废弃成分中的有机质转变为电能和其他能源物质，符合变废为宝、环境友好的要求，是污染治理和新能源研究领域一项非常有应用前景的技术。然而，目前MFC在应用推广上还不尽如人意。寻求结构简单、产能效率高的MFC，一直是国内外研究者们追求的目标。沉积型微生物燃料电池（SedimentMicrobialFuelCell，SMFC），是结构最为简单的双室型MFC，其主要以污泥微生物燃料电池为主，利用污泥与溶液的自然沉降分层特点形成两相，两相中分别放置有阴阳两电极，与外电路组成闭合回路。而置有阴、阳电极的两相，即为SMFC的阴极室和阳极室。SMFC阴阳极室靠自然分层产生，中间没有隔膜，结构简单，内阻小，是极具开发前景的MFC形式。但目前SMFC主要以氧气作为阴极电子受体，属于氧气（空气）阴极MFC。而氧气阴极MFC主要存在以下几方面的问题：（一）氧气阴极MFC，一方面，由于氧气在MFC液体电解质中溶解度较小，限制了产电效率，增加了MFC阴极室中的氧气曝气能耗或需投入昂贵的阴极催化剂（如铂）来促进阴极的还原反应；另一方面，阴极的溶氧，会渗透进入阳极室，在一定程度上影响阳极室的厌氧环境，给MFC产电微生物生存环境带来不良影响，进而影响MFC的产电效率。因此，各国研究者们纷纷尝试在MFC中使用其它电子受体，如铁氰根离子、生物矿化的氧化锰、高锰酸钾、双氧水和重铬酸钾等等来提高产电效率。但上述电子受体往往受到需要耗能再生、不能持续工作以及电子受体易渗透进入阳极室等因素的制约而无法广泛应用于MFC的阴极。（二）氧气阴极MFC，目前主要采用阴极室敞开与外部空气直接连通的结构形式，而MFC阳极室的厌氧环境又比较利于厌氧消化反应，使其产电过程中往往伴随有CH4、CO2等气体的产生，若使这些气体直接排放于空气中，将对环境造成不良影响，如加剧温室效应等；若能合理收集，则可变废为宝。肖本益等公开了（专利号：ZL201410375536.1）一种以剩余污泥为燃料的利用常规MFC同步产电产甲烷方法，研究结果表明，该MFC在同步产电产甲烷时表现出比只产电或只产甲烷时的产电率和产甲烷率都高，其中产电率提高10~20%，产甲烷率提高5~10%。可见，利用MFC同步产电产甲烷，不仅有利于回收能源气体、还有利于促进系统电子传递，对提高MFC综合产能有着积极影响。如何简化MFC结构、提高MFC产电效率、寻找合理的阴极电子受体及合理回收MFC过程能源气体等，都是加快MFC推广应用的重要研究内容。
技术实现思路
本技术的目的在于克服上述不足，提供一种结构简单，将厌氧消化技术、光催化技术及微生物燃料电池技术耦合在一起的无氧阴极光电微生物燃料电池（Photoelectricmicrobialfuelcells，PE-MFC）。该PE-MFC利用自身所产CO2作为阴极电子受体，通过光催化还原CO2为CH4，实现阴极无氧化，并收集经还原所得CH4和厌氧消化所产CH4，在提高微生物燃料电池产电效能的同时，提高所产能源气体的产量和品质。本技术的技术原理：一种无氧阴极光电微生物燃料电池，在沉积型微生物燃料电池的结构基础上，利用污泥和溶液两相的自然分层，构成两室，以两相界面为两室的分界面，界面以下为阳极室，界面以上为阴极室。阳极室中微生物降解或厌氧消化污泥产生电子、氢质子（H+）、CO2、CH4等，其中电子通过外电路到达阴极，H+、CO2和CH4经过两极室界面到达阴极室。CH4直接回收，CO2作为阴极电子受体，和H+在阴极室光催化条件下，发生还原反应，生成CH4和H2O，反应式如下：CO2+8H＋+8e-CH4+2H2O为增强PE-MFC中微生物的生长繁殖和光催化效果，在阳极室加入生物炭颗粒。生物炭颗粒，一方面作为生物膜载体，为微生物的生长繁殖提供场所并增强生物活性；另一方面，起到三维电极粒子的作用，增大PE-MFC产电效率，增强偏电场，减小光催化中光生电子与空穴的复合几率，提高光催化效率。本技术的技术方案：一种无氧阴极光电微生物燃料电池（PE-MFC），包括由污泥、溶液两相自然分层形成的阳极室和阴极室，所述阳极室内设阳极，所述阴极室内设阴极和紫外光源，阳极和阴极由导线外接电阻相连；所述紫外光源，由定时开关自动控制，位于所述阴极室内，距所述阳极室至少1cm，作为优选，紫外光源采用潜水式紫外灯，紫外波长为365nm；所述阳极室，填充有生物炭颗粒，作为优选，所述生物炭颗粒粒径为0.45~0.9mm(过20目筛，不过40目筛)，填充量为所述阳极室总原料的1%~10%（总固体质量分数，余同）；所述阴极室，溶液中分散有纳米TiO2粉，作为优选，所述纳米TiO2粉浓度为1.0~3.0g/L；所述阳极室侧面设置取（进）样口，平时密封；所述阴极室采用密封盖密封，并开设取（进）样口和导气口，所述取（进）样口平时密封，所述导气口连接集气装置；作为优选，所述电阻，阻值可变范围为500~1000Ω；作为优选，所述阳极和所述阴极，采用不锈钢板、钛板或炭系板、石墨板、碳毡、碳纸等材料制作；作为优选，所述阴极室内，配磷酸盐缓冲液；作为优选，所述阳极室中加接种物，所述接种物为产电微生物与厌氧消化微生物的混合菌群，所述接种物加入量为所述阳极室总原料的10%~30%；作为优选，所述阳极室和阴极室采用有机玻璃材料制作；作为优选，所述无氧阴极光电微生物燃料电池，运行环境温度控制在30℃~40℃间。本技术的有益效果：（1）本技术通过PE-MFC自身阳极室所产CO2作为阴极电子受体，实现了电子受体的自给自足，克服了传统氧气阴极MFC由于溶氧浓度低带来的产电效率低及相应的氧气曝气等措施带来的能耗问题，也避免了以其他电子受体（如：铁氰根离子、生物矿化的氧化锰、高锰酸钾、双氧水和重铬酸钾等等）作为阴极电子受体的MFC所存在的电子受体可再生效率低、需定期更换电子受体等问题。（2）本技术实现了同步产电产甲烷，且由于利用自身运行过程中所产CO2作为阴极电子受体，使最终气体产物中CO2浓度大大降低，CH4纯度大大提高，对所产CH4起到了原位提纯作用，在产电的同时实现了收集较高品质能源气体的目的。（3）本技术涉及的装置结构简单，造价低廉；涉及的方法，简单实用，可操作性强。对微生物燃料电池领域、甲烷生产应用领域、污废水处理领域都具有十分重要的意义。附图说明图1是本技术的无氧阴极光电微生物燃料电池的结构示意图图中：1.阳极室取样口（进样口），2.阳极室，3.阴极，4.阴极室，5.阴极室密封盖，6.电阻，7~9.电线接口，10.导气口，11.紫外光源，12.自动控制开关，13.阴极室取样口（进样口），14.阳极，15.开关。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步详细的描述，但本技术的实施方式不限于此。实施例一：一种无氧阴极光电微生物燃料电池（PE-M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无氧阴极光电微生物燃料电池，其特征在于：包括由污泥、溶液两相自然分层形成的阳极室(2)和阴极室(4)，所述阳极室(2)内设阳极(14)，所述阴极室(4)内设阴极(3)和紫外光源(11)，阳极(14)和阴极(3)由导线外接电阻(6)相连。

【技术特征摘要】
1.一种无氧阴极光电微生物燃料电池，其特征在于：包括由污泥、溶液两相自然分层形成的阳极室(2)和阴极室(4)，所述阳极室(2)内设阳极(14)，所述阴极室(4)内设阴极(3)和紫外光源(11)，阳极(14)和阴极(3)由导线外接电阻(6)相连。2.根据权利要求1所述的无氧阴极光电微生物燃料电池，其特征在于：采用潜水式紫外灯，紫外波长为365nm，由定时开关(12)自动控制。3.根据权利要求1所述的无氧阴极光电微生物燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱凌，陈潇，李姗珊，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61