一种立体阳极电极及其应用的微生物燃料电池及启动方法技术

本发明专利技术公开了一种立体阳极电极及其应用的微生物燃料电池及启动方法。微生物燃料电池包括池体、污水泵、阴极液泵和阴极液罐。池体包括阳极腔和阴极腔以及阳离子交换膜。阳极腔内设置有包括立体层状结构的基底层和若干延伸层的立体阳极电极，且基底层紧贴着阳离子交换膜设置。延伸层之间设有阳极电路线。阴极液罐与阴极腔之间形成阴极液的循环。阴极腔设置有阴极电极，阴极电极选用碳棒或碳刷或包括通过钛片相互连接的至少两片金属网且金属网间填充颗粒活性炭。启动过程将厌氧污泥注入阳极腔内实现基底层和延伸层微生物的接种、培养、富集和驯化，实现产电。本发明专利技术立体阳极电极结构有利于电子收集传输，具有产电效果好、结构简单、制作方便等优点。

A solid anode electrode and its application in microbial fuel cell and starting method

The invention discloses a stereoscopic anode electrode, a microbial fuel cell and a starting method thereof. The microbial fuel cell includes a pool body, a sewage pump, a cathode liquid pump and a cathode liquid tank. The cell body includes an anode cavity, a cathode cavity and a cation exchange membrane. The anode cavity is provided with a base layer including a three-dimensional layered structure and a plurality of three-dimensional anode electrodes with extension layers, and the base layer is arranged close to the cation exchange membrane. An anode circuit line is arranged between the extension layers. The circulation of cathode liquid is formed between cathode liquid tank and cathode cavity. The cathode cavity is provided with a cathode electrode, the cathode electrode is carbon rod or carbon brush or at least two metal nets connected with each other through titanium sheet, and the metal nets are filled with granular activated carbon. During the start-up process, anaerobic sludge is injected into the anode cavity to realize the inoculation, cultivation, enrichment and domestication of microorganisms in the base layer and extension layer, so as to achieve electricity production. The three-dimensional anode electrode structure of the invention is favorable for electronic collection and transmission, and has the advantages of good electricity generation effect, simple structure, convenient manufacture, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种立体阳极电极及其应用的微生物燃料电池及启动方法
本专利技术涉及一种立体阳极电极和微生物燃料电池及其启动方法，属于燃料电池

技术介绍
随着社会和经济的不断发展，人们对传统化石燃料的需求不断提升。然而化石燃料的有限大量使用和其存储量有限的特点，导致能源危机的不断加剧。因此，人们对新能源的需求不断迫切。同时，环境污染的日趋加剧也对人们日常生活造成困难，如何寻找有效解决环境污染，并将污染物转化为可再生能源，将对解决能源危机起着重要作用。微生物燃料电池技术(MFC)是一种融合了污水处理和生物产电的新技术。这种能在污水处理过程中同时实现能源回收的功能，得到大众的广泛关注。其工作原理是利用微生物燃料电池的阳极细菌作为阳极的催化剂，降解有机物的同时将电子传递到阳极，再将阳极连接到外电路负载到达阴极。而阳极细菌降解有机物产生的质子，通过阳离子交换膜传递到阴极，在阴极表面上，外电路传递过来的电子，与通过阳离子交换膜过来的氢离子和阴极中的还原剂反应生成水，完成微生物燃料电池的氧化还原反应过程和电子循环回路。其中，在微生物燃料电池运行产电过程中，阳极腔体内的阳离子会通过阳离子交换膜的离子交换作用转移到阴极，以保持阳极液和阴极液的电荷平衡。因此，为实现上述反应过程，常规MFC完整结构和组件包括阳极电极材料，阴极电极材料，外电路，阳离子交换膜和催化剂(包括微生物)。然而，目前MFC的实际产电能力偏低，离实际应用尚有较大的距离。因此，现阶段如何进一步提升MFC的污染物降解和产电转化能力将是未来需要攻克的难题。阳极电极材料的结构设计和制备，对促进微生物附着生长，有机物降解和电子传递过程至关重要，而阳极材料的优化将有望提升MFC的产电能力。传统碳电极材料结构在设计和使用上依然存在多方面问题，包括电极结构在阳极腔体内填充体积不足，微生物附着量有限等。或者阳极材料填充阳极腔体比例较大时，微生物附着量过多，造成水流堵塞以及电极颗粒分散产生的电子传递受阻碍等问题。第一，传统碳电极材料，例如碳纤维布，因本身为平面结构，造成阳极腔体内电极填充率有限，电极表面积有限，阳极腔体内有较大的死体积，从而使污染物降解率较低的情况下难以保障电流的最大产出，且传质效率受限，进一步约束电化学反应活性的提高。第二，电极材料的立体化可提升电极表面积以提升微生物附着量和传质效率。但是立体分散填充式的电极颗粒，例如颗粒活性炭，由于电极面积过大且孔隙率较小，碳颗粒表面易被生物膜包裹，互相接触困难从而影响电子传递。而碳刷虽可融合钛棒和碳纤维电极材料，将电极表面集合为整体保障电子传递，但其碳纤维毛填充于阳极腔体的比例有限，并与阳离子交换膜存在空隙，最终加大传质阻力，提升系统内阻，限制电化学活性。以上问题均阻碍了微生物燃料电池的应用与推广。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种立体阳极电极和微生物燃料电池及其制备运行方法，通过改良阳极材料结构，将多片碳纤维布编织连接组合为立体电极材料，提升电极表面积和微生物附着量；并利用阴极中活性炭分散填充率和钛片形成电极整体的优势，解决电极材料在电子传递，物质传输和内阻较大等问题，从而提高微生物燃料电池的污水处理效果和产电强度。本专利技术通过以下技术方案实现：一种立体阳极电极，包括基底层和设置在所述基底层上的延伸层，所述基底层和所述延伸层均选用碳纤维布；所述延伸层设置两个以上，每个延伸层均以其一端固定连接在所述基底层上且形成相互平行的连接线；所述基底层和两个以上延伸层之间形成立体层状结构；两个以上延伸层之间设有阳极电路线相连。上述技术方案中，所述延伸层与基底层之间通过缝合连接。上述技术方案中，所述延伸层宽度B2小于所述基底层宽度B1。上述技术方案中。所述延伸层的另一端设置支撑片，且两个以上延伸层的支撑片之间形成支撑架。一种微生物燃料电池，包括池体和设置在所述池体外部的污水泵、阴极液泵和阴极液罐；所述池体包括并列设置的阳极腔和阴极腔，以及用于分隔所述阳极腔和阴极腔的阳离子交换膜；所述阳极腔内设置有立体阳极电极，且所述立体阳极电极的基底层紧贴着所述阳离子交换膜设置；所述阳极腔为密闭结构，其上部和下部分别设有出水口和进水口，所述污水泵与所述阳极腔的进水口相连，所述阴极液罐、阴极液泵与所述阴极腔之间形成循环相连，用于阴极液的循环；所述阴极腔设置有阴极电极，所述阳极电路线与所述阴极电极之间通过外电路连通。上述技术方案中，在阴极液电子受体选用铁氰化钾时，所述阴极电极选用碳棒或碳刷。另一种技术方案是，当阴极液电子受体选用铁氰化钾时，所述阴极电极包括设置在所述阴极腔内壁面的金属网和连接所述金属网的钛条或钛片，以及填充在所述阴极腔的颗粒活性炭，所述金属网至少设置两面；颗粒活性炭填充在金属网之间且与金属网接触形成电子传输通道，所述金属网设置两面时，两面金属网设置在阴极腔相对的两侧内壁面。上述技术方案中，所述池体内设置有固定夹套，所述固定夹套设置在所述阳极腔和阴极腔连接处；所述阳离子交换膜和所述基底层为等截面设置，且所述阳离子交换膜和所述基底层贴合后通过固定夹套固定在所述池体内，分隔所述阳极腔和阴极腔。上述技术方案中，所述阴极液选用铁氰化钾溶液、磷酸缓冲溶液或碳酸缓冲溶液。一种微生物燃料电池的启动方法，包括：将阴极液注入阴极液罐，使阴极液通过阴极液泵注入阴极腔并在所述阴极液罐和阴极腔之间形成循环流动；将污泥通过污水泵注入阳极腔，使得污泥附着在立体阳极电极的基底层和延伸层上，并在基底层和延伸层上形成微生物的接种；将含有乙酸盐的有机污水通过污水泵持续缓慢通入阳极腔，使得基底层和延伸层上的微生物逐渐富集和驯化，逐渐富集的微生物降解乙酸盐及有机污水并逐渐产生电流，当在外电路上能够检测到电压时，所述微生物燃料电池完成启动过程。上述方法还包括：将颗粒活性炭填充入阴极腔，并使得颗粒活性炭与所述金属网之间相互接触，使得颗粒活性炭、金属网和钛条或钛片之间形成能够传输电子的阴极电极；将阴极液注入阴极液罐，使阴极液通过阴极液泵注入阴极腔并在所述阴极液罐和阴极腔之间形成循环流动。上述技术方案中，所述污泥选用厌氧污泥或厌氧-好氧混合污泥。上述技术方案中，所述阳极液为乙酸钠或/和葡萄糖或/和柠檬酸钠或/和蔗糖或/和果糖或/和木糖或/和可溶性淀粉0.64g、K2HPO4·3H2O0.73g、KH2PO40.94g、NH4Cl0.15g、CaCl2·2H2O0.026g、MgCl2·6H2O0.035g，当地自来水1L。本专利技术具有以下优点及有益效果：通过将碳纤维布组合连接形成立体结构，使得腔体内的碳电极材料整合为一个整体，促进电极表面生物膜内产电菌所产电子在电极结构的迅速转移，从而减少电极内阻，提升电化学活性，促进系统产电；且组合方式简单易行，制作成本低廉。附图说明图1为本专利技术所涉及的立体阳极电极结构示意图。图2为本专利技术所涉及的其中一种实施方式的微生物燃料电池结构示意图。图3为本专利技术所涉及的另一种实施方式的微生物燃料电池结构示意图。图4为图3实施方式的微生物燃料电池效果示意图。图中：1－立体阳极电极；101－基底层；102－延伸层；103－阳极电路线；2－池体；201－阳极腔；211－进水口；212－出水口；202－阴极腔；203－阳离子交换膜；204－阴极电极；241－金属网；24本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种立体阳极电极，其特征在于，所述阳极电极包括基底层(101)和设置在所述基底层(101)上的延伸层(102)，所述基底层(101)和所述延伸层(102)均选用碳纤维布；所述延伸层(102)设置两个以上，每个延伸层均以其一端固定连接在所述基底层(101)上且形成相互平行的连接线；所述基底层(101)和两个以上延伸层(102)之间形成立体层状结构；两个以上延伸层(102)之间设有阳极电路线(103)相连。

【技术特征摘要】
1.一种立体阳极电极，其特征在于，所述阳极电极包括基底层(101)和设置在所述基底层(101)上的延伸层(102)，所述基底层(101)和所述延伸层(102)均选用碳纤维布；所述延伸层(102)设置两个以上，每个延伸层均以其一端固定连接在所述基底层(101)上且形成相互平行的连接线；所述基底层(101)和两个以上延伸层(102)之间形成立体层状结构；两个以上延伸层(102)之间设有阳极电路线(103)相连。2.根据权利要求1所述的一种立体阳极电极，其特征在于：所述延伸层(102)与基底层(101)之间通过缝合连接。3.一种微生物燃料电池，其特征在于，所述电池包括池体(2)和设置在所述池体(2)外部的污水泵(3)、阴极液泵(4)和阴极液罐(5)；所述池体(2)包括并列设置的阳极腔(201)和阴极腔(202)以及用于分隔所述阳极腔(201)和阴极腔(202)阳离子交换膜(203)；所述阳极腔(201)内设置有如权利要求1所述的立体阳极电极(1)，且所述基底层(101)紧贴着所述阳离子交换膜(203)设置；所述污水泵(3)与所述阳极腔(201)相连；所述阴极液罐(5)、阴极液泵(4)与所述阴极腔(202)之间形成循环相连，用于阴极液的循环；所述阴极腔(202)设置有阴极电极(204)，所述阳极电路线(103)与所述阴极电极(204)之间通过外电路(6)连通。4.根据权利要求3所述的一种微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极电极(204)选用碳棒或碳刷，所述阴极液选用铁氰化钾溶液。5.根据权利要求3所述的一种微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极电极(204)包括设置在所述阴极腔(202)内壁面的金属网(241)和连接所述金属网(241)的钛条或钛片(242)，以及填充在所述阴极腔(202)的颗粒活性炭，所述金属网(241)至少设置两面；所述金属网设置两面时，两面金属网设置在阴极腔(202)相对的两侧内壁面；所述阴极液选用铁氰化钾溶液。6.根据权利要求3所述的一种微生物燃料电池，其特征在于，所述池体(2)内设置有固定夹套，所述固定夹套设置在所述阳极腔(201)和阴极腔(202)连接处；所述阳离子交换膜(203)和所述基底...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁鹏，罗帅，黄霞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11