一种内循环气升式微生物燃料电池装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种内循环气升式微生物燃料电池装置，包括：反应罐体、筒状阳极、空气阴极、气体分布器；所述筒状阳极设于反应罐体内腔，所述气体分布器设于筒状阳极的正下方，所述空气阴极设于反应罐体侧方外壁，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有电阻；本发明专利技术装置结构简单，可厌氧矿化挥发性有机污染物，无需质子交换膜；采用价格合理的碳基础材料同时作为电极和导流筒，无需外部增加能量进行搅拌混合，节约了构建和运行成本。

An Internal Circulation Airlift Microbial Fuel Cell Device and Its Application

The invention discloses an internal circulation airlift microbial fuel cell device, which comprises a reaction tank, a barrel anode, an air cathode and a gas distributor; the barrel anode is arranged in the inner cavity of the reaction tank, the gas distributor is positively below the barrel anode, and the air cathode is arranged on the lateral outer wall of the reaction tank. The barrel anode and air cathode are connected with resistance; the device has simple structure, can anaerobically mineralize volatile organic pollutants, and does not need proton exchange membrane; the carbon base material with reasonable price is used as both the electrode and the guide barrel, and the stirring mixing without external energy is needed, thus saving the construction and operation costs.

【技术实现步骤摘要】
一种内循环气升式微生物燃料电池装置及其应用(一)
本专利技术涉及一种内循环气升式微生物燃料电池装置，及其在矿化降解挥发性有机污染物中的应用。(二)
技术介绍
挥发性有机物(VOCs)是沸点在50～250℃的化合物，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。主要有工业源和生活源，其中工业源包括医药、石油化工、电子、印刷、制造等行业的排放，生活源主要是建筑材料、家具、地板、油漆等自身挥发以及交通运输中尾气的排放等。VOCs的易燃易爆性使企业生产存在潜在风险，发生反应形成的光化学烟雾、有机气溶胶以及雾霾严重破坏了生态环境，进而引起人体慢性中毒、癌变等，给人类健康带来严重的危害。因此，开发有效的技术来控制VOCs排放及净化非常重要。目前，已有冷凝法、吸附法、吸收法、燃烧法、膜分离法、光催化氧化和等离子体技术等多种物理化学方法用于挥发性有机物的去除，但这些方法成本高，易造成二次污染。生物法包括生物过滤法、膜生物法、生物洗涤法以及生物滴滤法，因其工艺简单、环境友好、无二次污染及应用范围广等优点受到广泛关注，经常用于低浓度VOCs处理。上述生物处理法均受到传质或电子传递的限制，加入电子受体或催化剂虽提高了系统处理VOCs的能力，但同时系统成本也随之增加且系统的稳定性受到影响。微生物燃料电池(MFC)的碳材料阳极作为电子受体，可将电极材料上粘附的微生物代谢VOCs产生的电子，快速的经外部回路转移到阴极被利用，有效加强了电子传递从而强化污染物降解。Chih-HungWu等人(doi:10.1016/j.jtice.2014.05.019)利用微生物燃料电池完成了对55mg/L的甲苯的矿化与能量转化；Linchiwen等人将MFC与传统的生物滴滤塔结合，证明在回路条件下MFC对气态乙酸乙酯的降解效率比开路条件下提高了17％。利用微生物燃料电池处理气态VOCs虽然解决了电子传递的限制，但是受气体本身物理化学性质的影响，其传质效果仍然需要进一步加强。气升式生物反应器将气体喷嘴喷出的气体以气泡的形式分散于液体中，导致通气一侧的液体密度下降，不通气一侧液体密度增大产生密度差，从而在反应器内形成环流，有利于反应物之间的混合、扩散，有效强化了宏观气液两相混合和分散，从而提高了传质效果。(三)
技术实现思路
本专利技术涉及的内循环气升式微生物燃料电池装置将气升式生物反应器与微生物燃料电池结合，强化了电子传递及挥发性有机物从气相到液相的传质，为VOCs的快速有效处理提供新的思路，对工业废气中挥发性有机物，例如：乙酸乙酯、乙酸丁酯、苯、甲苯、二甲苯等苯系污染物的高效净化具有重要意义。本专利技术提供的一种内循环气升式微生物燃料电池，利用气体分布器分散出的气体带动液体做循环流动，兼顾宏观混合和微观混合过程，同时由于电子的快速传递，促进了阳极生物膜对污染物的降解。本专利技术的技术方案如下：一种内循环气升式微生物燃料电池装置，包括：反应罐体、筒状阳极、空气阴极、气体分布器；所述筒状阳极设于反应罐体内腔，所述气体分布器设于筒状阳极的正下方，所述空气阴极设于反应罐体侧方外壁，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有电阻。本专利技术所述内循环气升式微生物燃料电池装置可用于气液两相反应，所述内循环气升式微生物燃料电池装置的作用机制为：筒状阳极在反应罐体内腔形成导流筒结构，位于导流筒结构正下方的气体分布器将气体以气泡的形式分散于液体中，使得通气一侧的液体密度下降，不通气一侧液体密度增大产生密度差，从而在反应罐体内形成环流，有效强化了宏观气液两相混合和分散提高传质效果，同时，喷射的气体和导流筒将罐体分为上升段和下降段；固定在反应罐体外壁上的空气阴极一侧暴露在空气中，另一侧与阳极液接触；阳极碳材料生物兼容性好、导电能力强，附着在上面的微生物可以高效降解VOCs污染物产生电子和二氧化碳，二氧化碳随气流排出，电子通过外部回路到达阴极与空气中的氧气结合生成水，实现VOCs的绿色净化；并且，通过检测阳极与空气阴极之间某定值电阻两端的电压，可实时了解微生物的活性。进一步，所述反应罐体为压力容器，一般在低压条件下操作，操作压力一般为0.8～1.5atm。进一步，所述反应罐体可以为长方体、正方体或圆柱体的形状，优选圆柱体，并且高径比为2～6：1。进一步，所述反应罐体的顶部设有进水口、出气及采样口，所述反应罐体的下部设有进气口、出水及采样口，并且可根据情况设置温度、压力、溶氧等检测器。进一步，所述反应器罐体可以由有机玻璃构成；所述空气阴极为本领域常规使用的类型，例如可由防水透气白膜、催化黑膜、镍网压制而成；所述筒状阳极由碳毡作为阳极卷成筒状结构固定在反应罐体内，所形成的筒状结构作为导流筒，并且所述导流筒的横截面积与反应罐体的横截面积之比为0.4～0.6：1。进一步，所述气体分布器采用环形玻璃管，所述玻璃管沿导流筒方向均匀分布，且出气口正对于导流筒上升段；或者，所述气体分布器可用曝气头代替，曝气头根据气体流量选择；所述环形玻璃管或曝气头的直径与导流筒直径之比为0.2～1：1。进一步，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有定值1000Ω电阻，通过记录电阻两端的电压来检测微生物活性变化，通过改变外电阻(50～5000Ω)绘制极化曲线，检测反应器电能输出情况。进一步，导流筒部分对应的罐体外壁(约占罐体外壁总面积的2/5)设网格状开孔(开孔部分面积占所述导流筒部分对应的罐体外壁面积的20-50％)，并在网格状开孔处固定空气阴极。本专利技术所述内循环气升式微生物燃料电池装置可应用于降解常见工业废气中的挥发性有机污染物，例如：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯。具体的，所述应用的方法为：利用乙酸钠和活性污泥(来自含挥发性有机物的污水处理厂)成功启动内循环气升式微生物燃料电池装置后，以无机盐溶液为阳极液，通入200mL/min的挥发性有机物和氮气的混合气体作为碳源，并保持厌氧环境，利用气相色谱检测挥发性有机物的降解及矿化；所述挥发性有机物在阳极液中的浓度为50～1500mg/m3，停留时间30～120s；所述无机盐溶液由磷酸盐缓冲溶液、微量元素溶液、维生素溶液按体积比982.5：12.5：5混合而成，其中：所述磷酸盐缓冲溶液的组成为：NH4Cl0.31g/L、NaH2PO4·H2O2.452g/L、Na2HPO44.576g/L、KCl0.13g/L，溶剂为去离子水；所述微量元素溶液的组成为：MgSO43g/L、MnSO4·H2O0.5g/L、NaCl1g/L、FeSO4·7H2O0.1g/L、CaCl2·2H2O0.1g/L、CoCl2·6H2O0.1g/L、ZnCl20.13g/L、CuSO4·5H2O0.01g/L、AlK(SO4)2·12H2O0.01g/L、H3BO30.01g/L、Na2MoO40.025g/L、Na2WO4·2H2O0.025g/L，溶剂为去离子水；所述维生素溶液的组成为：生物素0.002g/L、叶酸0.002g/L、吡哆素0.01g/L、核黄素0.005g/L、硫胺素0.005g/L、烟酸0.005g/L、泛酸0.005g/L、B-120.0001g/L、对氨基苯甲酸0.005g/L、硫辛酸0.005g/L，溶剂为去离子水。本专利技术与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述装置包括：反应罐体、筒状阳极、空气阴极、气体分布器；所述筒状阳极设于反应罐体内腔，所述气体分布器设于筒状阳极的正下方，所述空气阴极设于反应罐体侧方外壁，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有电阻。

【技术特征摘要】
1.一种内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述装置包括：反应罐体、筒状阳极、空气阴极、气体分布器；所述筒状阳极设于反应罐体内腔，所述气体分布器设于筒状阳极的正下方，所述空气阴极设于反应罐体侧方外壁，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有电阻。2.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应罐体为压力容器，操作压力为0.8～1.5atm。3.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应罐体为圆柱体，并且高径比为2～6：1。4.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应罐体的顶部设有进水口、出气及采样口，所述反应罐体的下部设有进气口、出水及采样口。5.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述筒状阳极由碳毡作为阳极卷成筒状结构固定在反应罐体内，所形成的筒状结构作为导流筒，并且所述导流筒的横截面积与反应罐体的横截面积之比为0.4～0.6：1。6.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述气体分布器采用环形玻璃管，所述玻璃管沿导流筒方向均匀分布，且出气口正对于导流筒上升段；或者，所述气体分布器采用曝气头；所述环形玻璃管或曝气头的直径与导流筒直径之比为0.2～1：1。7.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述筒状阳极和空气阴极之间连接有定值1000Ω电阻。8.如权利要求1所述的内循环气升式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述导流筒部分对应的罐体外壁设网格状开孔，并在网格状开孔处固定空气阴极。9.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张士汉，尤菊平，陈建孟，安妮，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33