无膜和无介体的微生物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种无介体的微生物燃料电池，包括一阴极室，一阳极室，带有或不带有用于分开这两个室的玻璃纤维和玻璃珠，一个用于供应空气至阴极室的元件，和一个用于供应废水至阳极室的元件。该电池进一步包括用于控制阴极室和阳极室之间距离的元件。使用石墨毡圈或涂覆金属如铂的石墨毡圈作为阴极室的电极，和在阳极室内使用缓冲液。根据本发明专利技术的无介体的微生物燃料电池无需使用昂贵的阳离子交换膜即能运行，其效率决不次于先前的废水处理方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
无膜和无介体的微生物燃料电池
本专利技术涉及一种改进的用于处理废水的无膜(membrane-less)和无介体(mediator-less)的微生物燃料电池。本专利技术基于使用生物燃料电池将电子转换为电能这一技术，其中的电子产生于微生物利用存在于废水中的有机物质进行新陈代谢期间。
技术介绍
已知大多数微生物具有一个外部的细胞结构，该结构显示出强烈的不导电性。因此，大多数情况下电子很难从发生在细胞膜内的电子转移反应被转移到电极。因而，使用普通微生物的微生物燃料电池基本上使用电子转移介体(electron transfer mediator)以便从微生物的电子转移系统转移电子到电极。然而，这样的介体通常是有毒物质，且可导致二次污染。该介体也具有如下缺点：(i)当被长时间使用时，可粘附到电极上，降低了总效率；(ii)是对微生物有毒的芳香族化合物；(iii)昂贵。同样的，对它们的使用具有局限性。如果不使用这样的介体，如本专利技术人所披露的，电子和质子产生于微生物的新陈代谢期间，其中的电子无需使用介体便能被直接转移到电极。随后通过阳离子交换膜电子被转移到一阴极室和质子被转移到该阴极室以便它们能被带电子氧氧化[see Kim，Byunghong et al.，Korean Patent No.224381 entitled″Biofuel Cell Using Metal Salt-Reducing Bacteria，″US Patent No.5,976,719，Japanese Patent No.3022431 and EP Patent Application No.97306661.6].本专利技术人还发现除了上面引用专利中使用的降低金属盐的细菌之外的微生物，它们与降低金属盐的细菌一样能直接将先前从有机物质氧化产生的电子转移到电极(阳极室)，并大量存在于自然界系统中，尤其是废水处理系统中，等，和在生物燃料电池运转期间，无需分开隔离和培养工序，便能被自然地富集培养[see Kim Byunghong et al.，PCT Patent ApplicationNo.PCT/KR00/00288 entitled″A Biofuel cell Using Wastewater and Active-->Sludge for Wastewater Treatment″]。然而，在微生物燃料电池发展至今，阴极室和阳极室被彼此分开。电子和质子的产生和转移依靠阳极室内的生物反应，以及电子和质子的消耗依靠彼此间将固有发生的反应，和一种用于运转微生物燃料电池用以废水(污水)处理的电路将以一种持续的方式被形成。因而，一种阳离子交换膜便被用于从阳极室转移质子至阴离子室。如果在此过程期间，阳极室内的微生物被充分培养，那么当从阳极室产生的电子和随后供给阴极室的电子的量能被控制时，质子便通过阳离子交换膜被转移。然而，已发现，阳离子交换膜在质子的转移上具有局限性(Gil Geun Cheol et al.，Operational parameters affecting the performance of a mediator-less microbialfuel cell，Biosensors & Bioelectronics，2003，18，327-334)。此外，阳离子交换膜干扰阳极室内微生物新陈代谢期间产生的质子的平稳转移，并导致该室内pH值降低现象。而且，用作废水(污水)处理材料的局限性花费昂贵。
技术实现思路
本分明人为解决上面提及的问题进行了广泛研究。结果，本专利技术人制备了一种改进的无介体的微生物燃料电池，该燃料电池无需使用阳离子交换膜便能运行，并且不会造成上面提及的问题，和该燃料电池具有决不次于先前废水处理方法的功效。因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的无介体的微生物燃料电池，该燃料电池无需使用阳离子交换膜便能运行，并且不会造成上面提及的问题，和该燃料电池具有决不次于先前废水处理方法的功效。根据本专利技术的无膜和无介体的微生物燃料电池是一种改进的能被利用在使用废水(污水)处理期间产生电力的过程的装置。如上所述，本专利技术的特点在于改进一微生物燃料电池使其无需使用阳离子交换膜便能处理废水(污水)。换句话说，本专利技术涉及一种无膜和无介体的微生物燃料电池，包括一阳极室，一阴极室，用于分开这两个室的玻璃纤维和玻璃珠，一种用于供应空气至阴极室的设备，和一种用于供应废水至阳极室的设备。根据本专利技术的无膜和无介体的微生物燃料电池进一步包括一种用于控制阴极室和阳极室之间距离的设备，和使用碳非编织物(non-woven fabric)-->(石墨毡圈(graphite felt))或涂覆金属的石墨毡圈，例如铂，作为阴极室的电极。更进一步地，根据本专利技术的无膜和无介体的微生物燃料电池可在阳极室使用一种缓冲液以便在当人造废水被作为燃料供应时产生的有机酸存在的情况下，维持适于微生物生长的最适pH值，致使分布于阳极室内的微生物的活性保持不变。附图简要说明本专利技术上述的和其它的目的和方面从下面根据附图的具体实例的描述是很明显的，其中：图1为显示了一个未使用阳离子交换膜的无介体的微生物燃料电池，和用于运行该电池和记录电流的整个系统的示意图。图2a为显示了在无介体微生物燃料电池的操作期间，通过在阴极室内使用蒸馏水产生的电流趋势的曲线图。图2b为显示了在无介体微生物燃料电池的操作期间，通过在阴极室内使用磷酸盐缓冲液产生的电流趋势的曲线图。图3为显示了图2a微生物燃料电池内pH值变化的曲线图。图4为显示了在使用300ppm BOD(生物需氧量)废水的无膜和无介体的微生物燃料电池内，在电化学活性微生物富集培养过程期间产生的电流变化的曲线图。图5为显示了供给一富集的微生物燃料电池阴极室的空气流速和电流产生之间关系的曲线图。图6为显示了根据一富集的微生物燃料电池阴极室内使用的电极的类型电流产生变化的曲线图。图7为显示了根据一富集的微生物燃料电池的阴极室和阳极室之间的距离电流产生变化的曲线图。图8为显示了根据一富集的微生物燃料电池的运行条件的COD(化学需氧量)去除效率的变化的曲线图。实现本专利技术的方法本专利技术优选的具体实例详细描述如下：-->被用作微生物燃料电池的是一个圆筒形反应器，该反应器包括一个位于下部的阳极室，和一个位于阳极室上部的阴极室，其直径为10cm，高度为100cm，且其中填充了高度为10cm的玻璃纤维和玻璃珠用以分开这两个部分。BOD浓度(300ppm)的废水被引进该微生物燃料电池的下部，并在透过阳极室和玻璃纤维分离层之后，在阴极室的中部被放出。然后在阴极室电极的底部收集这些废水，和测量COD以确定有机物的处理效率。通过结合随着时间的过去产生的电流来计算电荷量(库伦)。分析该结果与从电池中移走的有机物的相互关系，以确定电流产生效率。当在电阻为10Ω的微生物燃料电池内观察到控制不同的速率控制条件时，尤其当防止氧供应，质子渗透，等等，作用可控制的速率时，测量那时产生的电流。根据本专利技术，由于氧供应是一个重要的速率控制因子，因此向阴极室内充分供应氧是重要的。根据本专利技术，通过用铂涂覆阴极室内使用的电极能提高反应速率和效率。根据本专利技术，当阳极室和阴极室之间的距离被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无膜和无介体的微生物燃料电池，包括一阳极室，一阴极室，带有或不带有用于分开这两个室的玻璃纤维和玻璃珠，一种用于供应空气至阴极室的方式（ｍｅａｎｓ），和一种用于供应废水至阳极室的设备（ｍｅａｎｓ）。

【技术特征摘要】
KR 2002-5-14 10-2002-00263511.一种无膜和无介体的微生物燃料电池，包括一阳极室，一阴极室，带有或不带有用于分开这两个室的玻璃纤维和玻璃珠，一种用于供应空气至阴极室的方式(means)，和一种用于供应废水至阳极室的设备(means)。2.根据权利要求1的无膜和无介体...

【专利技术属性】
技术研发人员：金炳弘，张仁燮，张在京，吉根撤，
申请(专利权)人：韩国科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]