一种硝化微生物燃料电池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种硝化微生物燃料电池。它由阳极室、阴极室和质子交换膜组成；阳极室设有立方形反应器和密封盖，立方形反应器下部设有进水管，上部设有出水管，中部设有曝气区、反应区和隔离板，曝气区和反应区由隔离板分开，上下连通并充注产电基质；产电基质中放置硝化菌挂膜阳极，反应区顶部密封盖上设有阳极导线固定管；曝气区底部设有布气管；阴极室设有立方形反应器和密封盖，立方形反应器下部设有进水管，上部设有出水管，立方形反应器浸有阴极液，阴极液中放置阴极，顶部密封盖上设有阴极导线固定管。本实用新型专利技术以无机物氨为原料，结构简单，操作条件温和，内阻小，产电效能好，能源利用率高，能同时实现废水硝化和生物产电。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微生物燃料电池，尤其是一种硝化微生物燃料电池。技术背景 在上世纪，化石燃料支撑了全球经济的发展，但化石燃料不可再生，将在未来100年或稍长时间内耗竭。在能源利用中，“开源节流”工作已现实地摆在人们面前。生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是以酶或微生物作为催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。MFC技术具有原料来源广泛，基质转变为电能，操作条件温和，运行成本较低，不产生有害气体等诸多优点，被公认为极具开发前景的绿色可再生能源利用技术。通常把氨氧化为亚硝酸盐或硝酸盐的生物反应称为生物硝化作用，简称为硝化作用(nitrification)。硝化作用是一个序列反应，先由氨氧化菌把氨氧化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。硝化工艺(nitrification process)是通过工程措施，利用自养型硝化菌的作用将废水中的氨氧化为硝酸盐的处理方法。硝化工艺诞生于20世纪中叶，随着研究的深入和应用的普及，硝化工艺的类型不断增多，处理效能不断提高，已经成为一项重要的废水生物脱氮技术。氨是硝化作用的基质，处于最高还原态，在作为电子供体被氧化为硝酸盐的过程中，共释放8个电子。其中2个电子用于羟胺合成过程，以启动氨氧化反应，其余电子通过氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的呼吸链传递给末端氧化酶，最终传递给氧；并在电子传递过程中实现氧化磷酸化，合成ATP。由此可知，氨与有机物一样，是生物反应的电子供体和生物生长的能源物质；作为硝化反应催化剂的氨氧化菌和亚硝酸氧化菌，具有与异养型产电微生物相似的电子介体和电子传递链。然而迄今为止，所见的MFC主要以有机物为能源，罕见以无机物为能源的MFC ;特别是基于硝化作用的MFC，目前仅有个别报道，而且所报道的MFC存在着电池结构复杂、操作条件苛刻、电池性能较差、能源利用率低下等缺陷。针对现有微生物燃料电池的上述缺陷，本技术以氨氧化菌和亚硝酸氧化菌为产电菌，实现了以无机物氨为燃料的产电；产电基质为无机离子，电池内阻低，产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置；阳极室内设有内循环硝化反应器，所构建的双室型硝化微生物燃料电池结构简单，操作条件温和，阳极室反应器仅部分区域曝气，既能提供启动氨氧化反应所需要的溶解氧，又能防止氧浓度过高，导致电子损失；以强氧化剂高锰酸钾为阴极液，阴极电势高，电池性能较好，能源利用率较高。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种硝化微生物燃料电池。硝化微生物燃料电池由阳极室、阴极室和质子交换膜组成；阳极室和阴极室中间设有质子交换膜并通过法兰连接；阳极室设有阳极室立方形反应器和密封盖，阳极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；立方形反应器下部设有进水管，立方形反应器上部设有出水管，立方形反应器中部设有曝气区、反应区和隔离板，曝气区和反应区由隔离板分开，上下连通并充注产电基质；产电基质中放置硝化菌挂膜阳极，反应区顶部密封盖上设有阳极导线固定管；曝气区底部设有布气管；阴极室设有阴极室立方形反应器和密封盖，阴极室立方形反应器和密封盖之间通过法兰连接；阴极室立方形反应器下部设有进水管，阴极室立方形反应器上部设有出水管，阴极室立方形反应器浸有阴极液；立方形反应器阴极液中放置阴极，顶部密封盖上设有阴极导线固定管。所述的产电基质为含有氯化铵的无机废水，pH值为8. (Γ8. 5，其中添加2. O g/L KHC03、0. 35 g/L Κ2ΗΡ04、0·35 g/L Na2HPO4 和 O. 25 mL/L 无机盐溶液；无机盐溶液成分为 CaCl2. 2Η20，7· 34 g/L ；MgCl2. 6Η20，25· 07 g/L ；FeCl3. 6Η20，4· 8 g/L ；MnCl2. 4H20,1. 03 g/L ； ZnCl2. 2H20，0. 01 g/L ；CuCl2. 2H20，0. 112 g/L ；NaMoO4. 2H20，0. 0025 g/L。所述的阴极液为高锰酸钾溶液，pH值为6. 9 7. 1，其中添加O. 2 g/L ΚΜη04、0· 35 g/L K2HPO4 和 O. 35 g/L Na2HPO4。所述的阳极室立方形反应器和阴极室立方形反应器大小尺寸一样，长宽高比为 2. O :1. O :2. O ;所述的产电基质体积占阳极室立方形反应器体积的2/3 3/4 ;所述的阳极室立方形反应器中部曝气区和反应区横截面之比为1. O :2. O ;所述的阳极室立方形反应器中部隔离板上端较出水管低1. O cm，下端较阳极室立方形反应器底部高1. O cm;所述的阴极液体积占阴极室立方形反应器体积的2/3 3/4。所述的硝化菌挂膜阳极的导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板，表面附着有硝化菌生物膜，挂膜阳极下端距离阳极室立方形反应器底部为cm，挂膜阳极表面积与阳极室立方形反应器体积之比为1(T40 m2l m3;所述的阴极导电材料为石墨棒，阴极表面积与阴极室立方形反应器体积之比为Γ10 m2l m3。本技术与现有技术相比的有益效果是1)以无机物为燃料，利用氨氧化菌和亚硝酸氧化菌进行废水脱氮和生物产电，可同时实现废水污染控制和产电。2)产电基质为无机离子，电池内阻低，产电过程中不释放温室效应气体二氧化碳，是一种清洁能源生产装置。3)阳极室设有内循环硝化反应器，所构建的双室型硝化微生物燃料电池结构简单，操作条件温和，阳极室反应器仅部分区域曝气，既能提供启动氨氧化反应所需要的溶解氧，又能防止氧浓度过高，导致电子损失。4)以强氧化剂高锰酸钾为阴极液，阴极电势高，电池性能较好，能源利用率较高。附图说明图1是硝化微生物燃料电池结构示意图；图2是图1的A-A截面图；图中阳极室1、阴极室I1、质子交换膜III ;密封盖1、阳极室立方形反应器2、曝气区3、反应区4、隔离板5、进水管6、出水管7、布气管8、挂膜阳极9、阴极10、法兰11、法兰12、产电基质13、阴极室立方形反应器14、阴极液15、阳极导线固定管16、密封盖17、阴极导线固定管18、法兰19、进水管20、出水管21。具体实施方式如图1、2所示， 硝化微生物燃料电池由阳极室1、阴极室II和质子交换膜III组成；阳极室I和阴极室II中间设有质子交换膜III并通过法兰12连接；阳极室I设有阳极室立方形反应器2和密封盖1，阳极室立方形反应器2和密封盖I之间通过法兰11连接；立方形反应器2下部设有进水管6，立方形反应器上部设有出水管7，立方形反应器中部设有曝气区3、反应区4和隔离板5，曝气区3和反应区4由隔离板5分开，上下连通并充注产电基质13 ;产电基质13中放置硝化菌挂膜阳极9，反应区顶部密封盖I上设有阳极导线固定管16 ;曝气区3底部设有布气管8 ;阴极室II设有阴极室立方形反应器14和密封盖17，阴极室立方形反应器14和密封盖17之间通过法兰19连接；阴极室立方形反应器14下部设有进水管20，阴极室立方形反应器14上部设有出水管21，阴极室立方形反应器14浸有阴极液15 ;立方形反应器阴极液15中放置阴极10，顶部密封盖17上设有阴极导线固定管18。所述的产电基质13为含有氯化铵的无机废水，pH值为8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硝化微生物燃料电池，其特征在于：硝化微生物燃料电池由阳极室（I）、阴极室（II）和质子交换膜（III）组成；阳极室（I）和阴极室（II）中间设有质子交换膜（III）并通过法兰（12）连接；阳极室（I）设有阳极室立方形反应器（2）和密封盖（1），阳极室立方形反应器（2）和密封盖（1）之间通过法兰（11）连接；立方形反应器（2）下部设有进水管（6），立方形反应器上部设有出水管（7），立方形反应器中部设有曝气区（3）、反应区（4）和隔离板（5），曝气区（3）和反应区（4）由隔离板（5）分开，上下连通并充注产电基质（13）；产电基质（13）中放置硝化菌挂膜阳极（9），反应区顶部密封盖（1）上设有阳极导线固定管（16）；曝气区（3）底部设有布气管（8）；阴极室（II）设有阴极室立方形反应器（14）和密封盖（17），阴极室立方形反应器（14）和密封盖（17）之间通过法兰（19）连接；阴极室立方形反应器（14）下部设有进水管（20），阴极室立方形反应器（14）上部设有出水管（21），阴极室立方形反应器（14）浸有阴极液（15）；立方形反应器阴极液（15）中放置阴极（10），顶部密封盖（17）上设有阴极导线固定管（18）。...

【技术特征摘要】
1.ー种硝化微生物燃料电池，其特征在于硝化微生物燃料电池由阳极室(I)、阴极室(II)和质子交換膜(III)组成；阳极室(I)和阴极室(II)中间设有质子交換膜(III)并通过法兰(12)连接；阳极室(I)设有阳极室立方形反应器(2)和密封盖(1)，阳极室立方形反应器(2 )和密封盖(I)之间通过法兰(11)连接；立方形反应器(2 )下部设有进水管(6 )，立方形反应器上部设有出水管(7)，立方形反应器中部设有曝气区(3)、反应区(4)和隔离板(5)，曝气区(3)和反应区(4)由隔离板(5)分开，上下连通并充注产电基质(13);产电基质(13)中放置硝化菌挂膜阳极(9)，反应区顶部密封盖(I)上设有阳极导线固定管(16);曝气区(3)底部设有布气管(8);阴极室(II)设有阴极室立方形反应器(14)和密封盖(17)，阴极室立方形反应器(14)和密封盖(17)之间通过法兰(19)连接；阴极室立方形反应器(14)下部设有进水管(20)，阴极室立方形反应器(14)上部设有出水管(21)，阴极室立方形反应器(14)浸有阴极液(15);立方形反应器阴极液(15)中放置阴极(10)，顶部密封盖(17...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑平，谢作甫，陈慧，厉巍，张吉强，蔡靖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：