本发明专利技术涉及一种无氧阴极光电微生物燃料电池及其同步产电产甲烷方法。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；本发明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】
本专利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及其同步产电产甲烷方法。
技术介绍
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，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（Sediment Microbial Fuel Cell，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：ZL 201410375536.1）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
本专利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（Photoelectric microbial fuel cells ，PE-MFC）及其同步产电产甲烷方法。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。本专利技术的技术原理：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 +8 H＋+8 e-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。本专利技术的技术方案：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1.0~3.0 g/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。一种利用所述无氧阴极光电微生物燃料电池同步产电产甲烷方法：自污水处理厂取得的剩余污泥，静置，直到污泥不再有大量水分析出后，将静置污泥上层清液吸出，并过滤以去除污泥中较大粒径杂质，得到浓缩污泥；取如技术方案所述的接种物和生物炭颗粒，与浓缩污泥混合均匀后，作为PE-MFC阳极原料；取分散有纳米TiO2粉的磷酸盐缓冲液作为PE-MFC阴极液；先将所述阳极原料装入PE-MFC中，并插入阳极；再取所述阴极液缓缓倒入所述阳极原料之上；静置，直到所述阳极原料和所述阴极液出现明显的两相分界面并保持稳定后，将阴极与紫外灯悬于所述阴极液中；所述两相分界面以下为阳极室，以上为阴极室；密封PE-MFC，并将阳极、阴极用导线与电阻或用电装置连接，开启紫外灯，PE-MFC启动；当电压下降到50mV以下时，认为一个周期结束，进行系统基质更换；通过不断更换基质，维持PE-MFC运行；运行初期，由于所述生物炭颗粒上的生物膜未完全形成，PE-MFC产电量小且不稳定，经过一段时间的运行后，当连续3个周期内的最高输出电压不再增加时，认为PE-MFC启动成功,进入稳定期。所述更换基质，为保证PE-MFC中微生物稳定性，仅更换污泥，保留生物炭及其上生物膜在装置中，并保留约1/4污泥作为接种污泥；所述生物炭颗粒，一方面，为PE-MFC中微本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无氧阴极光电微生物燃料电池（PE‑MFC），其特征在于：所述装置包括由污泥、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。
【技术特征摘要】
1.一种无氧阴极光电微生物燃料电池（PE-MFC），其特征在于：所述装置包括由污泥、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。2.根据权利要求1所述紫外光源，其特征在于：采用潜水式紫外灯，紫外波长为365nm，由定时开关自动控制。3.根据权利要求1所述的无氧阴极光电微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室填充有生物炭颗粒，所述生物炭颗粒粒径为0.45~0.9mm ，填充量为所述阳极室总原料的1%~10%（总固体质量分数，余同）。4.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：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，加入量为所述阳极室总原料的10%~30%。5.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：所述阴极室内配磷酸盐缓冲液， 且在所述磷酸盐缓冲液中分散有浓度为1.0~3.0 g/L的纳米TiO2粉。6.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：所述阳极室侧面设置取（进）样口，平时密封。7.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：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。8.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...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱凌，陈潇，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。