一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法技术方案

本发明专利技术提供一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法。该电池系统包括阳极腔室和阴极腔室，阳极腔室和阴极腔室通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜；所述阳极腔室内装有阳极液，并设置有阳极电极；所述阴极腔室内装有阴极液，并设置有阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过导线与外电阻连接形成闭合回路；所述阳极电极和阴极电极通过导线与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与电脑相连接；所述阳极液包含瘤胃液和培养基。将瘤胃液中的微生物与微生物燃料电池系统整合于一体，可以实现水葫芦的有效降解，降解过程回收了电能，价值转化率高，实现了废弃物的资源化再利用。

Rumen microbial fuel cell system and method for producing electricity by using water hyacinth

The present invention provides a rumen microbial fuel cell system and a method for producing electricity by using water hyacinth. The battery system includes an anode chamber and a cathode chamber and the anode chamber and a cathode chamber are connected by a communicating pipe, the communicating pipe is provided with a proton exchange membrane; the anode chamber is provided with an anode liquid, and is provided with an anode electrode; the cathode chamber is provided with a cathode liquid, and is provided with a cathode electrode and the anode; the electrode and the cathode electrode and connected by external resistance wire to form a closed loop; the anode electrode and the cathode electrode is connected by wire and data acquisition system, the data acquisition system is connected with the computer; the anode liquid containing rumen and medium. The rumen microbes and microbial fuel cell system integration, can realize the effective degradation of water hyacinth, the degradation process of recycling energy, the value of the conversion rate is high, the recycling of waste.

【技术实现步骤摘要】
一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法
本专利技术涉及一种瘤胃微生物燃料电池系统及利用水葫芦产电的方法，属于固体废物资源化利用领域。
技术介绍
湖泊水生植物可以去除水中的藻类、溶解性有机污染物质和氮磷等营养物质,并且能迅速吸收废水中的重金属离子，因此被广泛应用于湖泊的水质改善和水环境修复。但是，水生植物同时也危害着生态环境、加速湖泊沼泽化，并对水中的溶解氧产生影响，造成湖泊的二次污染。因而寻找高效、经济的水生植物处置技术是十分重要的。目前，水生植物的处置方法包括用作动物饲料、堆肥及厌氧生物消化等。当湖泊水生植物如水葫芦中有毒物质含量低时，前两种方法具有一定的应用价值；否则，由于食物链的富集作用，当水生植物用作动物饲料或堆肥时会对人、畜等带来危害。并且，由于水生植物中木质纤维素结构复杂，不易于生物降解及转化，需要先经过复杂的预处理工艺将其转化为低分子物质才能被微生物所利用，因而研究直接处理水生植物秸秆的方法尤为重要。微生物燃料电池(MFC)是一种新型的环境修复生物技术，该技术可以实现废物处置与能源回收。将植物秸秆等废弃物作为微生物燃料电池的底物，以电能的形式回收其中含有的能源，将有利于有效的解决水生植物处理问题。目前，已有相关报道，如：中国专利文献CN104611262A公开了一种降解纤维素的产电菌及其在燃料电池中的应用，该专利技术提供的产电菌能够以资源丰富的纤维素为底物进行发电，将其应用于微生物燃料电池中，适应性强、产电电压大，具有较高经济价值和广阔的使用前景；但该专利技术需要先进行菌株的纯化和筛选，步骤较为繁琐，且其直接以纤维素为底物，未公开对植物秸秆降解的相关数据。又如中国专利文献CN101188306A公开了微生物燃料电池及利用秸秆发电的方法，该专利技术的微生物燃料电池由容器、催化阳极、阳极导线、空气阴极、阴极导线、阴极盖和密封盖组成；利用秸秆发电的方法包括步骤如下：秸秆的预处理；秸秆的解毒处理，得到秸秆固体底物和秸秆液体底物；电池的启动；处理秸秆固体底物或秸秆液体底物。该专利技术无污染，缓解了能源危机并且农村秸秆得到了有效利用；但该专利技术需要对秸秆进行预处理，步骤繁琐，成本较高，且降解能力有限。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种瘤胃微生物燃料电池系统，该电池系统是将能降解纤维素、半纤维素的瘤胃微生物和微生物燃料电池整合于一体的固体废物资源化装置，该装置管理维护简单、成本低。本专利技术还提供一种采用上述瘤胃微生物燃料电池系统以水葫芦为底物进行产电的方法，通过瘤胃液中的微生物将水葫芦秸秆中纤维素、半纤维素降解，可以有效的将其转化为电能，实现固体废物的资源化。术语说明：瘤胃：瘤胃是反刍动物的第一胃，是迄今已知的降解纤维物质能力最强的天然发酵罐。瘤胃液：瘤胃液是从反刍动物的瘤胃内取出的瘤胃内容物，包含经口腔进入的食糜，瘤胃分泌物与脱落的组织。本专利技术的技术方案如下：一种瘤胃微生物燃料电池系统，包括阳极腔室和阴极腔室，其特征在于，阳极腔室和阴极腔室通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜；所述阳极腔室内装有阳极液，并设置有阳极电极；所述阴极腔室内装有阴极液，并设置有阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过导线与外电阻连接形成闭合回路；所述阳极电极和阴极电极通过导线与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与电脑相连接；所述阳极液包含瘤胃液和培养基。根据本专利技术优选的，所述瘤胃液是山羊进食2-5小时后，从山羊瘤胃内取出的瘤胃液。所述瘤胃液中包含有食物残渣；所述质子交换膜可市购获得。根据本专利技术优选的，所述培养基的组成如下：K2HPO4400-500mg/L,KH2PO4400-500mg/L，NaCl800-1000mg/L,(NH4)2SO4200-400mg/L，CaCl2·2H2O100-150mg/L，MgSO450-150mg/L。优选的，所述培养基的组成如下：K2HPO4450mg/L,KH2PO4450mg/L，NaCl900mg/L,(NH4)2SO4300mg/L，CaCl2·2H2O120mg/L，MgSO490mg/L。优选的，所述瘤胃液与培养基的质量比为1∶90-110。根据本专利技术优选的，所述阳极腔室和阴极腔室的底端设置有磁力搅拌子。所述磁力搅拌子用于搅拌腔室内的液体。根据本专利技术优选的，所述阳极电极和阴极电极均为碳毡。优选的，所述碳毡为经预处理的碳毡；所述预处理方法包括步骤如下：将碳毡依次在丙酮、质量浓度为15％的稀盐酸、质量浓度为15％的稀硝酸中分别浸泡0.5-2h，然后用去离子水冲洗直至中性。根据本专利技术优选的，所述阴极液为摩尔浓度为30-70mmol/L的铁氰化钾溶液；优选的，所述阴极液为摩尔浓度为50mmol/L的铁氰化钾溶液。优选的，所述铁氰化钾溶液为铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液，所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液中磷酸盐的摩尔浓度为30-70mmol/L；优选的，所述铁氰化钾磷酸盐缓冲水溶液中磷酸盐的摩尔浓度为50mmol/L。根据本专利技术优选的，所述阳极腔室内设置有温度探头，阳极腔室表面包覆有电加热层，所述温度探头、电加热层与控温系统相连。根据本专利技术，所述控温系统为现有技术，所述控温系统包括直流电源、温度传感器和温度控制器，所述直流电源与温度控制器的电源端连接，所述温度控制器的温度信号接收端与温度传感器的温度信号输出端连接，所述温度探头通过导线与温度传感器相连，所述电加热层通过导线与温度控制器相连。根据本专利技术优选的，所述阳极腔室内设置有pH探头，所述pH探头通过导线与pH传感器相连。根据本专利技术优选的，所述阳极腔室和阴极腔室顶端开口设置有堵塞，堵塞上设置有通孔；所述温度探头、导线以及pH探头穿过堵塞的通孔，并固定于堵塞上。优选的，所述堵塞为橡胶堵塞。采用上述瘤胃微生物燃料电池系统利用水葫芦产电的方法，包括步骤如下：(1)将水葫芦晾干后，经粉碎，制得水葫芦粉末；(2)将步骤(1)制备得到的水葫芦粉末加入阳极腔室，与瘤胃液和培养基混合均匀；向阳极腔室充氮气除氧，密封，控制阳极液的温度为35-45℃，调节pH为7-8；阳极液和阴极液均在磁力搅拌下，以水葫芦为底物开始发电。根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述经粉碎后得到目数为35-45目的水葫芦粉末。根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述水葫芦粉末和瘤胃液的质量比为1：2-4。根据本专利技术优选的，步骤(2)中向阳极腔室充氮气20分钟除氧。根据本专利技术优选的，步骤(2)中用质量浓度为5-10％的NaOH水溶液调pH。有益效果如下：(1)本专利技术瘤胃液中微生物数量大，且种类很多，包括细菌、真菌、原生动物和小型后生动物；细菌包括:纤维降解菌、淀粉降解菌、半纤维降解菌、蛋白降解菌、脂肪降解菌、酸利用菌、乳酸产生菌等，原生动物主要为纤毛虫与鞭毛虫；利用瘤胃微生物主导的厌氧消化过程可以将难分解的纤维素类物质高效转化成挥发性有机酸或甲烷等能源物质；然后瘤胃微生物对所产生的大部分挥发性有机酸进行氧化利用产生电能。这样一方面避免了木质纤维素后处理复杂、易造成二次污染的问题，另一方面生物质原料作为一种可再生资源被转化为电能，同时能够用于制备一定量的挥发性有机酸、氢气和甲烷等，具有一定的经济效益。(2)本专利技术将瘤胃液中的微生物与微生物燃料电池系统整合于一体，不仅可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种瘤胃微生物燃料电池系统，包括阳极腔室和阴极腔室，其特征在于，阳极腔室和阴极腔室通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜；所述阳极腔室内装有阳极液，并设置有阳极电极；所述阴极腔室内装有阴极液，并设置有阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过导线与外电阻连接形成闭合回路；所述阳极电极和阴极电极通过导线与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与电脑相连接；所述阳极液包含瘤胃液和培养基。

【技术特征摘要】
1.一种瘤胃微生物燃料电池系统，包括阳极腔室和阴极腔室，其特征在于，阳极腔室和阴极腔室通过连通管道相连接，所述连通管道内设有质子交换膜；所述阳极腔室内装有阳极液，并设置有阳极电极；所述阴极腔室内装有阴极液，并设置有阴极电极；所述阳极电极和阴极电极通过导线与外电阻连接形成闭合回路；所述阳极电极和阴极电极通过导线与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与电脑相连接；所述阳极液包含瘤胃液和培养基。2.根据权利要求1所述的瘤胃微生物燃料电池系统，其特征在于，所述瘤胃液是山羊进食2-5小时后，从山羊瘤胃内取出的瘤胃液。3.根据权利要求1所述的瘤胃微生物燃料电池系统，其特征在于，所述培养基的组成如下：K2HPO4400-500mg/L,KH2PO4400-500mg/L，NaCl800-1000mg/L,(NH4)2SO4200-400mg/L，CaCl2·2H2O100-150mg/L，MgSO450-150mg/L；优选的，所述培养基的组成如下：K2HPO4450mg/L,KH2PO4450mg/L，NaCl900mg/L,(NH4)2SO4300mg/L，CaCl2·2H2O120mg/L，MgSO490mg/L。4.根据权利要求3所述的瘤胃微生物燃料电池系统，其特征在于，所述瘤胃液与培养基的质量比为1∶90-110。5.根据权利要求1所述的瘤胃微生物燃料电池系统，其特征在于，所述阳极腔室和阴极腔室的底端设置有磁力搅拌子；所述阳极腔室内设置有温度探头，阳极腔室表面包覆有电加热层，温度探头、电加热层与控温系统相连；所述阳极腔室内设置有pH探头，pH探头通过导线与pH传感器相连；...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞浩然，
申请(专利权)人：俞浩然，
类型：发明
国别省市：安徽,34