生物电化学系统用单电极结构以及双电极板技术方案

本实用新型专利技术提供了一种生物电化学系统用单电极结构以及双电极板，双电极板包括阳极片、阴极片、绝缘结构及第二支撑体，阳极片、绝缘结构、阴极片依次布置形成堆叠结构，阳极片、阴极片均采用极片结构，极片结构包括导电层及不锈钢网，绝缘结构包括第一绝缘层及第二绝缘层，不锈钢网布置在导电层的外侧面，第一绝缘层周边从阳极片上导电层内侧面向外延伸并对阳极片外侧不锈钢网边部包裹形成阳极包边，第二绝缘层周边从阴极片上导电层内侧面向外延伸并对阴极片外侧不锈钢网边部包裹形成阴极包边，第二支撑体绕堆叠结构周向布置且两端分别夹持在阳极包边、阴极包边上，本实用新型专利技术结构紧凑，表面积大，稳定性好，有利于生物电化学系统的产业化发展。系统的产业化发展。系统的产业化发展。

【技术实现步骤摘要】
生物电化学系统用单电极结构以及双电极板


[0001]本技术涉及生物电化学领域，具体地，涉及一种生物电化学系统用单电极结构以及双电极板。

技术介绍

[0002]能源短缺和环境污染仍是当今世界所面临的棘手问题，开发可再生能源、实现废污的资源化利用，才能促进社会与环境的可持续发展。人们研究发现生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems,BES)是一种降解废弃物，同时回收生物质能和其它一些具有附加值化学产品的系统。其基本原理是以电强化微生物的脱氢酶体系的氧化反应释电子和还原酶体系的还原反应得电子的代谢过程。BES具有同步实现能源回收、资源回收、污水处理等多重功能，是一项应用前景广阔的新技术。在阳极，产电微生物以阳极为电子受体，氧化降解有机质，维持生长代谢。在该过程中，释放的质子和电子，被传递至阴极，并在阴极完成还原反应。阳极、阴极电势差即为电路端电压，或输出电压，或输入电压。在降解有机物过程中，与传统的物理化学法、生物法相比，BES具有反应路径短、反应条件可控、副反应弱等特点。
[0003]最早的BES以微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)概念出现。MFC 最初的雏形，见于1910年英国达拉馍大学的植物学家Potter教授的研究发现，他利用大肠杆菌(E.coli)作为微生物催化剂在半电池的Pt电极上将酵母氧化，获得输出电流。之后，以产电为特色的MFC装置发展起来，产电功率密度从最初 0.01mW/m2上升至现今4000mW/m2，提高了近5个数量级。目前，尽管利用MFC产电有着无可比拟的优势，但MFC装置仍是实验室规模级别，原因在于双室内阳极室和阴极室中间有质子交换膜的存在，导致MFC的内阻大，输出功率低，单室内阴极的氧气容易透过电极进入阳极室影响厌氧微生物活性，降低电子和能量回收率，影响库伦效率和功率输出。
[0004]2005年，美国宾夕法尼亚州立大学的Burce Logan教授拓展了MFC的应用范围，发现通过生物阳极从有机物中回收的能量可以内在驱动阴极的析氢反应，从而大大降低了电解制氢的能耗，这项技术一开始被称作生物电化学辅助微生物反应器，后来改为微生物电解池(Microbial Elecotrolysis Cell,MEC)。至此，BES以电解产氢为主的MEC发展起来。目前，MEC产氢也仍处于实验室研究阶段，虽然MEC产氢纯度高、能量利用率高等优势，但是MEC中需要各种膜作为减少损氢的屏障，发酵菌的大量生产造成底物损失、有机酸的积累致使系统pH降低，影响产电菌的生产，导致产氢率下降等。
[0005]另外，BES还与现代传感技术相结合，开发出以环境监测为主的生物电化学传感器(Environmental Monitoring Bioelectrochemical Sensor,EMBES)，应用现场快速监测和连续在线分析，成为近年来研究的热点。EMBES起始于1975年的化学修饰电极，它能够选择性地进行人们所期盼的反应，并提供更快的电子转移速率，推动了电化学分析化学的发展。EMBES是指以生物材料(如酶、抗原、抗体、激素等)或者生物本身(细胞、细胞器、组织等)作为敏感元件，电极(固体电极、离子选择电极等)作为换能元件，以电流和电势信号响应输出
的传感器。一方面，用电极充当电子的给予体或者接受体，可以模拟生物体系电子传递机理和代谢过程，测定热力学和动力学参数；另一方面，利用生物反应的特异性和电分析方法的灵敏性以及实时检测性，制备生物电化学传感器，为生物物质的检测提供强有力的手段。
[0006]BES除了能够产电、产氢外，还可用于污水处理领域，诸如COD的去除、脱氮、脱硫、脱氯以及偶氮染色脱色等，以及有价值的附加品产生，诸如产甲烷、产碱、糖类合成等。
[0007]但是，过去这类有别于产电或产氢为目标的电增强提高生物反应效率的BES并未从MFC或MEC中单独划分出来，研究者们有时会用MFC术语，有时又用MEC术语。 2020年，同济大学朱洪光教授团队在《ACS Omega》杂志上投寄论文，审稿期间也习惯延用MEC术语。而当时匿名审稿专家明确提出MEC应只在电解池产氢情况下使用，为了避免混淆建议用其它术语表达更合适。朱教授团队接纳专家建议提出电增强生物反应器(Electroenhanced Bioreactor,EEB)后，论文被录用发表。
[0008]EEB的提出标志着BES分类体系的完善，即BES可以按照四类划分：MFC以产电为目标、MEC以产氢为目标、EMBES以环境监测为目标、EEB以提高生物反应效率为目标。其中，EEB的具体增强目标形式可以是多样的，如以脱氮为目标的废水处理、以产甲烷为目标的电强化生物能转化、以活性有机产物为目标的生物发酵工程等。
[0009]不论是以产电、产氢和提高生物反应效率为主要目标的BES，目前均处于实验室研究阶段，工程化应用受到限制，其主要原因是未能够开发出可供产业化规模应用的高效低成本生物反应电极。早期报道的论文和专利，多数都是小试规模的棒状或片状电极，间隔一定距离浸没在反应器中，阴极阳极之间距离远，质子传递效率低，且电极多为贵金属，成本高。近期报道，开始关注的石墨纤维刷电极、碳纤维毡电极、Pt/Fe电极、铜网镀锡电极、钯纳米碳粉碳布复合电极等，尽管具有相对的稳定性、导电性及生物相容性等，但也不能够实现产业化工程应用。
[0010]例如专利文献CN203922843U公开了一种集有机污水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，包括微生物电解池壳体1，在微生物电解池壳体1内设置有阳极电极8和阴极电极4，阴极电极4和阳极电极8分别通过钛丝5和钛丝7与外接直流稳压电源6的低电位端和高电位端相连，微生物电解池壳体1的下端侧面设有进水管9，进水管9与布水器10相连，微生物电解池壳体1底端设有污泥排放管11 和阀12，微生物电解池壳体1上端侧面设有排水管2，微生物电解池壳体1顶端设有气体收集管3，但该设计中所用电极表面积小，电解作用空间小，整体结构不紧凑，结构设计不合理。
[0011]为了突破BES规模化产业化应用的瓶颈，需要寻求新的结构设计以推动BES的产业化发展及工程化应用。

技术实现思路

[0012]针对现有技术中的缺陷，本技术的目的是提供一种生物电化学系统用单电极结构以及双电极板。
[0013]根据本技术提供的一种生物电化学系统用单电极结构，包括极片结构以及第一支撑体，所述极片结构包括导电层以及不锈钢网；
[0014]所述不锈钢网布置在所述导电层的外侧面或者分别布置在所述导电层的外侧面、内侧面，所述第一支撑体沿所述极片的周向布置并对所述极片进行夹持固定。
[0015]优选地，所述导电层采用碳毡或碳布。
[0016]优选地，所述不锈钢网采用焊接不锈钢丝网，所述第一支撑体采用不锈钢片。
[0017]优选地，还包括不锈钢柱，所述不锈钢柱一端焊接在不锈钢网上，另一端延伸到不锈钢网的外部并连接有导线。
[0018]根据本技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物电化学系统用单电极结构，其特征在于，包括极片结构以及第一支撑体(11)，所述极片结构包括导电层(2)以及不锈钢网(3)；所述不锈钢网(3)布置在所述导电层(2)的外侧面或者分别布置在所述导电层(2)的外侧面、内侧面，所述第一支撑体(11)沿所述极片的周向布置并对所述极片进行夹持固定。2.根据权利要求1所述的生物电化学系统用单电极结构，其特征在于，所述导电层(2)采用碳毡或碳布。3.根据权利要求1所述的生物电化学系统用单电极结构，其特征在于，所述不锈钢网(3)采用焊接不锈钢丝网，所述第一支撑体(11)采用不锈钢片。4.根据权利要求1所述的生物电化学系统用单电极结构，其特征在于，还包括不锈钢柱(12)，所述不锈钢柱(12)一端焊接在不锈钢网(3)上，另一端延伸到不锈钢网(3)的外部并连接有导线(13)。5.一种双电极板，其特征在于，包括阳极片、阴极片、绝缘结构以及第二支撑体(4)；所述阳极片、绝缘结构、阴极片依次布置形成堆叠结构，所述阳极片、阴极片均采用极片结构，所述极片结构包括导电层(2)以及不锈钢网(3)，所述绝缘结构包括第一绝缘层(1)以及第二绝缘层(5)；所述不锈钢网(3)布置在所述导电层(2)的外侧面，所述第一绝缘层(1)的周边从阳极片上导电层(2)的内侧面向外延伸并对阳极片外侧的不锈钢网(3)边部包裹形成阳极包边(...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱洪光，武齐，潘芳慧，王友保，吴可佳，王伯文，刘雪钰，
申请(专利权)人：上海林海生态技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：