一种植物－土壤微生物燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种成本低廉、实用有效、绿色环保的利用产电微生物和植物光合作用联用的植物－土壤微生物燃料电池系统。它包括阳极电极、阴极电极以及连接阳极电极和阴极电极的外电路，还包括植物，所述的阳极电极置于植物根部周围的土壤内，所述的阴极电极置于土壤表面。本发明专利技术主要以植物光合作用生产并释放到根部的有机质为燃料，避免了产电微生物以污水中有机质为燃料时，有机质对产电微生物的抑制作用，从而导致产电效率低的问题。同时本发明专利技术以植物作为燃料供应者，实现植物固碳－分泌有机质－产电的能源的循环利用，实现了燃料的绿色供给。因此本发明专利技术通过将植物与土壤中产电微生物的有机联用，实现了能源供给与环境保护的双赢。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源与生态修复领域，具体涉及一种通过以植物的光合作用为生产 者，土壤中的产电微生物为消耗者的植物-土壤微生物燃料电池系统。
技术介绍
为了满足我国目前社会发展、能源需求、环境保护等的需求，各种绿色电力资源应 运而生。绿色电力是指由可再生能源(风能、太阳能、海洋能、地热能、生物质能、小水电等 非化石能源)生产的电力，因其生产电力是利用特定的发电设备，通过这种方式产生的电 力在发电过程中不产生或很少产生对环境有害的排泄物(如CO、CO2等)，且不需消耗化石 燃料，节省了有限的资源储备，有利于环境保护和国民经济的可持续发展(熊莺，2008;洪 水峰，2008)。但这些绿色电力对于资源都有一定的限制，如小水电要求当地的水利资源丰 富(鲁仕宝，2009)；风力发电适用于我国新疆、内蒙古等风能资源丰富的地区；地热能资源 则集中发布在西藏南部、四川西部、云南西部地区(龚宇烈，2008)；生物质发电则需要丰富 的生物质储备，并且从其经济性考虑对产电规模有一定的要求(吴创之，2006)。基于此，新型电源供给方式出现了应用需求。早在1910年，英国植物学家就将钼 作为电极置于大肠杆菌的培养液里，成功地制造出了世界上第一个细菌电池。1984年，美 国科学家设计一种用于太空飞船的细菌电池，其电极的活性物来自宇航员的尿液和活细 菌.但当时的细菌电池发电效率较低。到了 20世纪80年代末.细菌发电取得重要进展，英 国化学家让细菌在电池组里分解分子，以释放电子并向阳极运动产生电能，他们在糖液中 添加某些诸如染料之类的芳香族化合物作为稀释液，来提高生物系统输送电子的能力，但 在细菌发电期间，还需朝电池里不断充气，并搅拌细菌培养液和氧化物的混和物。理论上， 利用这种细菌电池，每IOOg糖可获得1352930库仑的电能，其效率可达40%，远高于现在使 用的电池的效率，而且还有10倍的潜力可挖。只要不断地往电池里添入糖就可获得2A电 流，且能持续数月之久利用细菌发电原理，人们正在构想建立细菌发电站，比如，基于IOm 见方的立方体容器内的细菌培养液，可建立起一个IOOOkW的细菌发电站，每小时耗糖量为 200kg，发电成本虽然高一些，但这是一种对环境无污染的”绿色”电站(吴祖林，2005)。但 现实是目前微生物燃料电池以单一碳源乙酸钠为燃料得到最大lkW/m3的输出功率，而以复 杂化合物如啤酒废水等的其输出功率更低(李连华，2009)。而Rabaey(2008)等进行的中 试实验，以啤酒废水为燃料研究了体积为Im3的微生物燃料电池的运行情况，在过程中存在 着腐蚀及产电效率低等问题，并在第二届国内微生物燃料电池会议上指出微生物燃料电池 作为污水治理的方法存在比较大的问题，但可用于产氢。植物通过叶绿素进行光合作用，固定CO2合成碳水化合物。依据植物的种类及环境 条件，大约有60%的被固定C会输入到根部。研究表明.土壤有机质总数的30% 40%来 自根分泌物和死亡的根。主要有(1)糖类、有机酸等；(2)高分子碳水化合物和酶等；(3) 死亡的细胞物质；(4)乙烯等气体物质。Gransee (2001)等利用石英砂培养玉米研究其水溶 性根分泌物组成，发现碳氢化合物占64%、氨基酸和氨基盐类占22%、有机酸为14% .在单独的化合物分析中得知，碳氢化合物主要是葡萄糖、果糖和蔗糖，柠檬酸和琥珀酸占有机酸 的80%，氨基酸中主要有谷氨酸、天冬氨酸和丝氨酸.Paynel (2001)等发现，在苜蓿和黑麦 草氨基酸中，丝氨酸和氨基乙酸比例最大.Aulakh(2001)等研究水稻根系分泌物中发现， 在有机酸中苹果酸浓度最高，其次是酒石酸、琥珀酸柠檬酸和乳酸。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种成本低廉、实用有效、绿色环保的利用产电微生物和植 物光合作用联用的植物_ 土壤微生物燃料电池系统。植物利用太阳能进行光合作用，吸收CO2，其中的一部分被植物自身利用，还有 60%左右被植物传输到植物根部形成根源化合物。本专利技术利用土壤中的产电微生物作为催 化剂，将上述根源化合物氧化分解为CO2，并在此过程中生成电子和质子，电子通过阳极的 阳极电极再经外电路传递给阴极，质子经土壤传到阴极，在此基础上，质子和氧气生成水， 形成回路，产生电流，从而实现了本专利技术的目的。本专利技术的植物_ 土壤微生物燃料电池系统，包括阳极电极、阴极电极以及连接阳 极电极和阴极电极的外电路，其特征在于，还包括植物，所述的阳极电极置于植物根部周围 的土壤内，所述的阴极电极置于土壤表面。所述的植物优选为能源草。优选，所述的阴极电极平放于土壤表面，阳极电极与其垂直放置。本专利技术利用植物吸收并分泌到植物根部的有机质作为原料，利用土壤内的产电微 生物作为催化剂，催化这些有机质分解为二氧化碳，并在此过程中产生电子和质子，电子通 过阳极电极经外电路传到阴极电极，质子经过土壤传递到土壤表面的阴极电极，无需质子 通过膜，且阴极电极以空气中的氧气作为电子受体，降低了成本，质子和氧气生成水，形成 回路，从而产生电流。本专利技术与常规的微生物燃料电池相比较，具有以下有益效果本专利技术 主要以植物光合作用生产并释放到根部的有机质为燃料，避免了产电微生物以污水中有机 质为燃料时，有机质对产电微生物的抑制作用，从而导致产电效率低的问题。同时本专利技术以 植物作为燃料供应者，实现植物固碳-分泌有机质-产电的能源的循环利用，实现了燃料的 绿色供给。因此本专利技术通过将植物与土壤中产电微生物的有机联用，实现了能源供给与环 境保护的双赢，特别是选择能源草作为产电微生物氧化原料的提供者时，能在不影响能源 草能源利用效果的同时实现了电能的回收，更能使能源利用和环境保护得到有效的结合。附图说明图1是本专利技术的植物-土壤微生物燃料电池系统的结构示意图；图2是本实施例1中的阳极电极和阴极电极的放置位置示意图；附图标记说明1、阳极电极；2、阴极电极；3、土壤表面。具体实施例方式以下是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。实施例1 如图1和图2所示，本实施例的植物_ 土壤微生物燃料电池系统基于栽培的能源4草而构建(如狼尾草)，在该能源草根部的周侧土壤中设有阳极电极1 (ANODE)，在能源草附 近的土壤表面3上平放有阴极电极2 (CATHODE)，该阴极电极2暴露于空气中，如图2所示， 所述的阳极电极1 (ANODE)垂直于阴极电极2 (CATHODE)。阳极电极1 (ANODE)和阴极电极 2 (CATHODE)通过外电路连接，外电路上可接有负载。构建好后，在外电路接上万用表，运行 该植物-土壤微生物燃料电池系统，经检测在外电路上具有电压。 本实施例的植物-土壤微生物燃料电池系统运行原理是这样的，栽培的能源草利 用太阳能，吸收二氧化碳放出氧气，合成有机物质，其中一部分有机物质释放到植物根部， 在植物根部的土壤中的微生物分解这些有机物质，产生二氧化碳，在这个过程中还产生了 电子和质子，电子经阳极，通过外电路到达阴极，而质子经土壤到达阴极，阴极以氧气作为 电子受体，质子和氧气生成水，由此而形成回路，产生电流。权利要求一种植物 土壤微生物燃料电池系统，包括阳极电极、阴极电极以及连接阳极电极和阴极电极的外电路，其特征在于，还包括植物，所述的阳极电极置于植本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植物－土壤微生物燃料电池系统，包括阳极电极、阴极电极以及连接阳极电极和阴极电极的外电路，其特征在于，还包括植物，所述的阳极电极置于植物根部周围的土壤内，所述的阴极电极置于土壤表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李连华，孙永明，孔晓英，袁振宏，李东，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]