CN207199750U - 微生物燃料电池及其阳极 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于微生物燃料电池的阳极以及微生物燃料电池。具体地，本实用新型提出了一种用于微生物燃料电池的阳极，包括：导电滤膜；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层中形成有多个水流通路；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述导电滤膜以及所述多孔层的至少之一上。由此，所述阳极具有比表面积大、电极电阻低、生物相容性好等优点，可有效地提升产电微生物的附着量，进而提升出水水质，提高产电性能。

Description

微生物燃料电池及其阳极

技术领域

本实用新型涉及环境、材料、能源领域，具体地，本实用新型涉及微生物燃料电池及其阳极。

背景技术

能源和资源短缺是当今社会面临的严峻问题。因此，污水处理从耗能型向资源回收型的转变是未来污水处理的发展方向。微生物燃料电池是一种利用微生物降解水中有机物，并原位将其化学能转化为电能的生物电化学技术。以微生物燃料电池为代表的生物电化学***污水处理，凭借其低能耗等优势，成为能源领域以及污水处理领域的研究热点。目前的微生物燃料电池普遍存在输出功率较低、出水水质不高等问题，这些问题限制了其在实际生产中的应用。

因而，目前的微生物燃料电池及其阳极，仍有待改进。

实用新型内容

本实用新型是基于发明人对以下事实的认识和发现而做出的

发明人发现，目前的微生物燃料电池(MFC)普遍存在污水处理效果较差、产电效率较低的问题。发明人经过深入研究发现，这主要是由于MFC的阳极性能有待提高而导致的。阳极作为产电微生物附着的载体，对微生物燃料电池的产电性能有至关重要的影响。这主要是由于，MFC的工作原理是有机物在阳极产电微生物的作用下氧化分解并产生电子和质子，质子通过质子交换膜传递至阴极室，在阴极催化剂的作用下还原氧气生成水；而电子通过外电路从阳极转移至阴极被氧气利用，形成完整的电路***，从而将有机物中的化学能转化为电能。MFC的阳极是有机物催化氧化的主要场所，其表面附着的产电微生物的量是决定MFC污水处理效果和产电性能的关键。然而，由于阳极产生的质子还需要传质至阴极室，因此，MFC的阳极不仅需要具有较为可观的产电微生物负载量，同时还需要具有一定的导电功能以及传质功能。然而，目前的MFC中的阳极，较难同时保证微生物负载量以及质子传质和电子传递的效果，进而导致污水处理效果和产电效率不尽理想。

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种用于微生物燃料电池的阳极。具体的，该阳极包括：导电滤膜；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层中形成有多个水流通路；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述导电滤膜以及所述多孔层的至少之一上。由此，所述阳极具有比表面积大、电极电阻低、生物相容性好等优点，可有效地提升产电微生物的附着量，同时具有较好的质子传质以及电子传递性能。并且，该阳极可以利用导电滤膜的截留作用，结合过滤运行模式，进而能够加强传质，提升出水水质，提高产电性能。

具体的，所述阳极的所述导电滤膜包括碳布、碳毡、碳纤维膜、碳纳米管膜、石墨烯膜、不锈钢网或者钛网。形成导电滤膜的材料来源广泛，因此，可以降低生产成本。

具体的，所述的阳极的所述多孔层是由导电材料形成的。由此，可以进一步提高该阳极的导电性能。

具体的，形成所述阳极的所述多孔层的材料包括碳纤维、颗粒活性炭、石墨烯或者金属泡沫。上述材料来源广泛，进而可以降低生产成本，并且上述材料的比表面积大，能有效提高产电微生物的附着量，进而提升出水水质，提高产电性能。

具体的，该阳极包括：导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由多个缠绕有碳纤维的钛丝形成的；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。由此，所述阳极的比表面积大，孔隙率高，电极阻抗低，并且物理性质稳定，生物相容性好，进而提升了产电微生物的附着量，提升了出水水质，提高了产电性能。

具体的，该阳极包括：导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由活性炭颗粒形成的；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。由此所述阳极的比表面积大，孔隙率高，电极阻抗低，并且物理性质稳定，生物相容性好，进而提升了产电微生物的附着量，提升了出水水质，提高了产电性能。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提出一种微生物燃料电池。具体的，该微生物燃料电池包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；阳极，所述阳极设置在所述反应空间中，所述阳极为前面所述的；以及空气阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。由此，所述微生物燃料电池具有前面所述微生物燃料电池的阳极所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

具体的，所述的微生物燃料电池的所述壳体中具有分隔设置的阳极室以及阴极室，所述阳极室以及所述阴极室之间通过透水膜进行分隔，所述阳极设置在所述阳极室中，所述阴极设置在所述阴极室中。由此，可以进一步提高该微生物燃料电池的性能。

具体的，所述的微生物燃料电池的所述壳体在所述阳极室一侧的侧壁上，具有进水口；所述壳体在所述阴极室一侧的侧壁上，具有出水口，所述进水口以及所述出水口之间，设置有循环管路以及循环泵，所述循环管路以及循环泵设置在所述壳体外部。由此，污水可以从阳极向阴极过滤式循环运行，从而使所述微生物燃料电池中的传质加强，结合导电滤膜的截留作用，强化污水处理效果，同时提高产电性能。

附图说明

图1显示了根据本实用新型一个实施例的用于微生物燃料电池的阳极的结构示意图；

图2显示了根据本实用新型另一个实施例的用于微生物燃料电池的阳极的结构示意图；

图3显示了根据本实用新型又一个实施例的用于微生物燃料电池的阳极的结构示意图；

图4显示了根据本实用新型一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；

图5显示了根据本实用新型另一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；

图6显示了根据本实用新型又一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；

图7显示了根据本实用新型的实施例以及对比例的微生物燃料电池的循环COD降解曲线和静态COD降解曲线；

图8显示了根据本实用新型的实施例以及对比例的微生物燃料电池的阳极的COD降解速率常数和COD平均去除率；

图9显示了根据本实用新型的实施例以及对比例的微生物燃料电池的阳极的极化曲线；

图10显示了根据本实用新型的实施例以及对比例的微生物燃料电池的阳极的电流密度-COD曲线。

附图标记：

100：阳极；110：导电滤膜；120：多孔层；10：水流通路；130：产电微生物；30：碳刷；31：钛丝；32：碳纤维；40：活性炭颗粒；200：空气阴极；300：壳体；400：过滤膜；500：阳极室；600：阴极室；700：循环泵；800：循环管路；50：进水口；60：出水口；1000：微生物燃料电池。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种用于微生物燃料电池的阳极。根据本实用新型的实施例，参考图1，该阳极100包括：导电滤膜110、多孔层120以及产电微生物130。根据本实用新型的实施例，多孔层120设置在导电滤膜110的一侧，并且多孔层120中形成有多个水流通路10，产电微生物130附着在导电滤膜110及多孔层120的至少之一上。由此，该阳极具有比表面积大、电极电阻低、生物相容性好等优点，可有效地提升产电微生物的附着量，进而提升出水水质，提高产电性能。

下面根据本实用新型的具体实施例，对该用于微生物燃料电池的阳极的各个部件进行详细解释：

根据本实用新型的实施例，导电滤膜110的具体材料不受特别限制，只要是具有导电功能的过滤膜，均可以用于形成根据本实用新型实施例的导电滤膜110。具体的，导电滤膜110可以包括碳布、碳毡、碳纤维膜、碳纳米管膜、石墨烯膜、不锈钢网以及钛网的至少之一。例如，根据本实用新型的具体实施例，导电滤膜110可以是由碳布形成的。碳布的成本较为低廉，且便于剪裁，生物兼容性好，能够满足微生物燃料电池阳极的要求。并且，微生物燃料电池的电解质(如污水)可以透过导电滤膜110，因此，该导电滤膜110可以为该阳极100提供过滤功能，从而可以将过滤过程与传统的微生物燃料电池的阳极过程相结合。利用过滤过程的截留作用，提高污水处理的效果。并且，根据本实用新型实施例的导电滤膜110由于具有一定的导电功能，因此不影响阳极以及阴极之间的电子传递，不会增加质子传递过程中的内阻。进而不会影响利用该阳极的微生物燃料电池的电学性能。

根据本实用新型的实施例，多孔层120中形成有水流通路10。由此，不影响根据本实用新型实施例的阳极100对于污水等电解液的过滤过程。此外，多孔层120可以提高该阳极100的比表面积，从而一方面可以增加微生物的附着量，另一方面，对于电极反应过程而言，比表面积较大的电极，也有利于提高阳极100的电化学性能。例如，根据本实用新型的一些实施例，多孔层120可以是由具有一定导电性能的三维材料形成的。由此，可以不影响阴极以及阳极之间电子的传递，且可以获得具有较为可观的比表面积的阳极100。例如，根据本实用新型的具体实施例，形成多孔层120的材料可以包括碳纤维、颗粒活性炭、石墨烯以及金属泡沫的至少之一。上述材料均具有较为可观的比表面积，且导电性能良好。并且，碳纤维、颗粒活性炭等材料的成本较为低廉，有利于降低该阳极100的生产成本。并且，上述材料可以通过多种成型技术进行成型处理，且可以较为牢固的固定在碳布等材料形成的导电滤膜110上。

根据本实用新型的实施例，多孔层120的具体形状不受特别限制，只要具有导电、比表面积较大、生物相容性、且可令电解液通过即可。例如，根据本实用新型的具体实施，多孔层120可以包括一个或是多个刷状结构：参考图2，多孔层120中该可以包括一个或是多个碳刷30。碳刷30是缠绕有碳纤维32的钛丝31形成的。碳纤维32具有较好的机械强度，因此，可以在钛丝31上形成刷状结构。由此，有利于提高多孔层120的比表面积，且碳材料的生物兼容性较好，因此碳刷30也有利于产电微生物130的附着。钛丝31不仅可以起到固定多个碳纤维32的作用，并且钛丝31由于具有较好的导电性，因此还可以进一步提高多孔层120的导电性能。

或者，根据本实用新型的另一些实施例，参考图3，多孔层120还可以是由经过成型处理的活性炭颗粒40形成的。活性炭颗粒40具有较为低廉的成本，且易于通过简单的成型处理，形成三维多孔的结构。由此，可以提高产电微生物130的附着量。此外，对于用于污水处理的微生物燃料电池而言，活性炭颗粒40形成的多孔层120，还可以进一步起到吸附污染物以及杂质的作用。结合根据本实用新型实施例的阳极100所具有的过滤功能，可以进一步提高该微生物燃料电池的出水水质。

需要说明的是，根据本实用新型实施例的多孔层120的具体制备方式以及多孔层120与导电滤膜110相结合的方式均不受特别限制。本领域技术人员可以根据多孔层120的具体材料，以及形状等，选择适当的成型技术进行多孔层120的制备。例如，根据本实用新型的具体实施例，当多孔层120包括碳刷30时，可以首先利用钛丝以及碳纤维制备碳刷30：将碳纤维丝缠绕至钛丝上即可。可以采用碳布形成导电滤膜110，导电滤膜110上可以设置两个碳刷30：将两个碳刷30与碳布放入丙酮中浸泡处理以便去除可能吸附的杂质，随后进行加热处理以提高碳刷30以及碳布的导电性能，并经过降温、水洗浸泡等过程，将碳布以及碳刷相接触，即可构成根据本实用新型实施例的阳极100。根据本实用新型的另一个具体实施例，也可以采用活性炭颗粒以及碳布，形成根据本实用新型实施例的阳极100：将颗粒活性炭与碳布经过丙酮浸泡处理，并进行加热、水洗等处理即可。

发明人意外地发现，由于在导电滤膜110上设置了多孔层120，因此该阳极100的微生物负载量能够大幅提高。因此，该阳极100在用于处理污水时，处理污水的能力也获得了大幅提升。而由于该阳极100同时还具有过滤功能，因此，根据本实用新型实施例的阳极100，可以有效防止导电滤膜110由于过滤过程导致的污染堵塞，进而可以提高该阳极100的使用寿命。并且，由于导电滤膜110以及多孔层120均由导电材料形成，因此，可以在将过滤过程结合至电化学反应过程的同时，不增加电极的整体内阻，不影响质子传质。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提出了一种微生物燃料电池。根据本实用新型的实施例，参考图4，该微生物燃料电池1000包括：壳体300、如前面所述的阳极100以及空气阴极200。壳体300中限定出反应空间，阳极100和空气阴极200设置在壳体300限定的反应空间中，并且阳极100和空气阴极200电连接。由此，该微生物燃料电池1000具有前面描述的阳极100所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

根据本实用新型的实施例，参考图5，前面所述的微生物燃料电池1000的壳体300中具有分隔设置的阳极室500以及阴极室600，阳极室500以及阴极室600之间通过透水膜400进行分隔，阳极100设置在阳极室500中，阴极200设置在阴极室600中。由此，进一步提高了微生物燃料电池1000的性能。

根据本实用新型的实施例，参考图6，前面所述的微生物燃料电池1000的壳体300在阳极室500一侧的侧壁上，具有进水口50，壳体300在阴极室600一侧的侧壁上，具有出水口60，进水口50以及出水口60之间，设置有循环管路800以及循环泵700，循环管路800以及循环泵700设置在壳体300的外部。由此，污水可以通过设置在微生物燃料电池1000外部的循环管路800以及循环泵700，从阳极100向阴极200过滤式循环运行，从而使微生物燃料电池1000中的传质加强，再结合导电滤膜的截留作用，强化了污水处理效果，同时提高了产电性能。

综上所述，根据本实用新型实施例的微生物燃料电池1000具有以下优点的至少之一：

(1)阳极100比表面积大、电极电阻低、生物相容性好，可有效地提升产电微生物的附着量，同时具有较好的质子传质以及电子传递性能。

(2)利用导电滤膜的截留作用，结合过滤运行模式，进而能够加强传质，提升出水水质，提高产电性能。

(3)成本低廉。

前面描述的微生物燃料电池，可用于处理污水。由此，可以利用前面描述的微生物燃料电池有效分解水中的有机物，污水处理效果好，且还可以在污水处理的同时，产生电能，有利于进一步降低污水处理的成本。

下面通过具体实施例对本实用新型进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本实用新型的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。

实施例1、制备阳极

阳极采用碳刷与碳布复合。碳刷是由两根钛丝缠绕碳纤维丝而成，总体长度约为5cm，形成的碳刷直径约为3cm。将缠绕好的碳刷在丙酮浸泡5h后，置于马弗炉中以450℃烧灼30min，取出降至室温后用去离子水浸泡1h，去除杂质及粘附的颗粒物。将处理后的碳刷与碳布并联接触，即碳布平行于碳刷的中心钛丝轴，并与碳刷一侧边缘接触组合。

实施例2、制备阳极

其他步骤同实施例1，所不同的是，采用颗粒活性炭替换碳刷，并将其与碳布并联复合。

对比例1、制备碳刷阳极

其他步骤同实施例1，所不同的是，制备好碳刷后，不与碳布进行复合，直接利用碳刷为阳极。

对比例2、制备碳布阳极

将碳布置于丙酮浸泡5h后，置于马弗炉中以450℃烧灼30min，取出降至室温后用去离子水浸泡1h，去除杂质及粘附的颗粒物，即形成阳极。

实施例3、制备微生物燃料电池

制备空气阴极：阴极以不锈钢网作为支撑材料和集电材料，PTFE作为粘结剂，选用添加有10％炭黑的活性炭，利用粘结剂粘结在不锈钢网上，形成空气阴极。

制备阳极：采用实施例1以及实施例2制备的阳极为微生物燃料电池的阳极。

构建电池：采用双室型构型，阳极室厚度为3.5cm，上方有两个并排的直径为6mm的孔，一个用于放置阳极，另一个用于放置参比电极；阴极室厚为1cm，上方也有两个并排的直径为3mm的孔，一个用于连接出水管，另一个用于取出水。阳极室装入实施例1以及实施例2制备的阳极，每个腔体之间用O形环和垫片密封固定，阳极挡板有个直径为3mm的进水口，阴极室上方有个直径为3mm的出水口，阴极室与空气阴极之间加一层玻璃纤维作为分隔材料，装上钛片及空气阴极，然后用阴极挡板固定后，在反应器四角用螺杆和螺丝拧紧固定，则反应器组装完成。外部循环***是由蠕动泵和连接泵管及卡套组成，蠕动泵是通过调节泵头的转速改变流速，在蠕动泵处所用泵管是特定的不透氧管，在反应器进出水口处采用一般泵管，泵管总长约为30cm；进水口位于阳极挡板左侧的中下方，出水口位于阴极室的中上方，进出水管直接连接不透氧管，通过管路直接形成反应器的自循环体系。接种源采用已经运行两年的双瓶型MFC阳极出水，基质为50mM磷酸盐缓冲液配制浓度为1g/L乙酸钠，加入12.5mL/L矿物质和5mL/L维他命。

电化学测试

(1)出水水质测试：

评价微生物燃料电池有机物降解效果的一个重要指标就是出水COD。对于反应器COD降解规律的研究，主要是测定不同时间反应器阴极出水的COD值，通过COD变化来拟合反应动力学，得到反应速率常数。

采用实施例1以及对比例1、对比例2的阳极构建微生物燃料电池。出水COD的测试结果如图7所示：在静态条件下，参考图7中的(b)，复合阳极(即实施例1中的阳极)的COD降解速率与对比例2的降解速率相似，在运行40h后，实施例1、对比例1以及对比例2均可以令COD数值显著降低。当微生物燃料电池开启污水循环时，对微生物燃料电池的出水COD进行测试，参考图7中的(a)，此时复合阳极具有最快的COD降解能力。

对图7中的COD速率降解常数进行计算(参考图8)可知，复合阳极在循环过程中，速率降解常数显著高于对比例1以及对比例2中制备的阳极。对COD平均去除率进行计算，复合阳极在循环条件下，与对比例相比也具有最高的COD平均去除率。

(2)产电测试：

对上述阳极构筑的微生物燃料电池的产电性能进行测试：极化曲线测定，采用快速测定法，即在一个运行周期中短时间内更换外电阻并达到稳定，每20min降低外电阻依次为1000Ω、500Ω、300Ω、200Ω、100Ω、50Ω、30Ω、20Ω、10Ω、5Ω、2Ω，并且实时记录该电阻下稳定的输出电压和阳极电势。根据数据可以计算出每个外电阻下的电流I＝U/R和电流密度i＝I/A，A为阴极面积。此外，还可以计算面积功率密度P＝Ui。因此，以电流密度i为横坐标，面积功率密度P为纵坐标，绘制出面积功率密度曲线。测试绘制的功率密度曲线如图9所示：在循环状态以及静态条件下，复合阳极均具有较大的功率密度；由电流曲线(参考图10)可知，复合阳极在动态、静态以及各个阻值的外阻的测试中，均具有较高的电流密度。同时，复合阳极还能够保持足够高的COD去除效果(参考图10中的(a)-(f)的右侧纵坐标)。也即是说，复合阳极(实施例1)与对比例相比，具有较为可观的产电性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，包括：

导电滤膜；以及

多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层中形成有多个水流通路；以及

产电微生物，所述产电微生物附着在所述导电滤膜以及所述多孔层的至少之一上。

2.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，所述导电滤膜包括碳布、碳毡、碳纤维膜、碳纳米管膜、石墨烯膜、不锈钢网或者钛网。

3.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，所述多孔层是由导电材料形成的。

4.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，形成所述多孔层的材料包括碳纤维、颗粒活性炭、石墨烯或者金属泡沫。

5.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，包括：

导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及

多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由多个缠绕有碳纤维的钛丝形成的；以及

产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。

6.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的阳极，其特征在于，包括：

导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及

多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由活性炭颗粒形成的；以及

产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。

7.一种微生物燃料电池，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体中限定出反应空间；

阳极，所述阳极设置在所述反应空间中，所述阳极为权利要求1-6任一项所述的；以及

空气阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。

8.根据权利要求7所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述壳体中具有分隔设置的阳极室以及阴极室，所述阳极室以及所述阴极室之间通过透水膜进行分隔，

所述阳极设置在所述阳极室中，所述阴极设置在所述阴极室中。

9.根据权利要求8所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述壳体在所述阳极室一侧的侧壁上，具有进水口；

所述壳体在所述阴极室一侧的侧壁上，具有出水口，

所述进水口以及所述出水口之间，设置有循环管路以及循环泵，所述循环管路以及循环泵设置在所述壳体外部。