一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置

1.本发明属于微生物反应器技术领域，尤其涉及一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置。


背景技术：

2.挥发性有机物(vocs)是指常温下饱和蒸汽压大于70pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10pa且具有挥发性的全部有机化合物。其来源于工业生产及社会活动的方方面面，如印刷，造纸和建筑材料及汽车尾气等。大多数vocs具有令人不适的特殊气味，并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用。vocs还是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物。因此，开发有效的技术控制vocs以加强pm2.5与臭氧协同控制，对实现减污降碳协同增效、促进生态环境质量持续改善有重要意义。
3.针对于vocs的去除主要通过吸附、催化燃烧和等离子体等物理化学技术，但这些方法成本较高，且在处理过程中会产生对环境有害的二次污染，近年来被限制应用。生物技术如生物滴滤、生物过滤和生物洗涤等技术因其操作成本低，对环境友好且无二次污染等优势被广泛应用于vocs的处理中。但生物技术净化vocs的过程中会受到传质或电子传递的限制，因此生物净化vocs的效率需要进一步提高。微生物燃料电池的碳材料阳极作为电子受体，可将电极材料上粘附的微生物代谢产生的电子，快速的经外部回路转移到阴极被利用，有效加强了电子传递从而强化污染物降解。尽管微生物燃料电池处理气态vocs解决了电子传递的限制，但受气态vocs的特性影响，其传质效果仍需进一步加强。
4.综上，急需一种提高传质效果的用于处理气态vocs的装置。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，将连续搅拌式生物反应器与微生物燃料电池相结合，强化了生物间的电子传递及挥发性有机物从气相到液相的传质，为vocs的生物净化效率的进一步提升及发展提供了新的思路。本发明连续搅拌式生物反应器通过不断搅拌，使气体均匀分布在反应器的同时加强了气体相与液体生物相的接触面积，有利于反应物之间的混合与扩散，提高了传质效果，因此进一步提高生物反应的效率。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，包括：
8.反应器基体，具有容纳反应液体的内腔，内腔设有钛合金杆以及搅拌棒；搅拌棒的一端贯穿反应器基体伸入内腔并与反应液体接触，另一端与反应器基体顶部的搅拌电机传动连接；钛合金杆的一端贯穿反应器基体伸入内腔并与反应液体接触，另一端外露于反应器基体顶部；反应器基体的顶部开设有出气口以及第一采样口，底部设置有进气口以及第二采样口，待处理气体通过底部的进气口进入，处理后的气体通过顶部的出气口流出；
9.碳毡阳极，包覆在位于内腔的钛合金杆的外部；
10.以及空气阴极，反应器基体的外侧壁上开设有圆形孔洞，空气阴极包覆于圆形孔洞的外部且与反应器基体外侧壁固接；
11.空气阴极与碳毡阳极的另一端之间连接有一电阻，通过记录电阻两端的电压来检测微生物活性变化，且可通过改变外电阻来绘制极化曲线，检测反应器电能输出情况。
12.进一步的，所述空气阴极的两侧分别为液体侧和空气侧，液体侧涂覆有铂碳催化剂，气体扩侧涂覆有聚四氟乙烯溶液。
13.进一步的，所述空气阴极的制作方法如下：将碳材料的一测涂覆5％的铂碳催化剂，并在马弗炉下200℃煅烧2h后取出冷却，将这一侧作为溶液测；将碳材料的另一侧均匀涂覆炭黑粉末后将聚四氟乙烯溶液涂覆在其表面，用吹风机烘干其表面后继续涂覆聚四氟乙烯溶液再次用吹风机烘干，如此重复4遍后将这一侧作为空气侧。
14.进一步的，所述圆形孔洞的直径与反应器基体的高度之比为3：1；所述空气阴极与圆形孔洞的面积大小之比为1.5～3：1。
15.进一步的，所述反应器基体为压力容器，操作压力为0.8～1.5atm。
16.进一步的，所述反应器基体形状可以是长方体、正方体或圆柱体。
17.进一步的，所述反应器基体形状是长方体，长宽高之比为4：3：9。
18.进一步的，所述搅拌棒为不锈钢材质，下部末端设有搅拌叶片，所述搅拌叶片的转速为0～500rpm。
19.进一步的，所述碳毡阳极为筒状结构。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
21.1)本发明的空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，可以利用搅拌叶片的不断搅拌，扩大了气体与反应液体的接触面积，更有利于挥发性有机污染物在液相中的传质，连续搅拌的过程还可以使微生物在反应器内混合均匀以高效降解挥发性有机污染物。
22.2)本发明的空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，可以添加非水相介质构建两相分配生物反应系统强化对疏水挥发性污染物的净化效果，搅拌装置可以使非水相均匀分布在液体中，以此达到对疏水挥发性的有机污染物去除效果。
23.3)本发明的连续搅拌式微生物燃料电池装置，在外壁与内壁之间设置空气阴极，碳毡阳极与空气阴极之间连入定值电阻，在罐体内微生物降解污染物产生的电子快速通过外部回路转移到阴极，以碳毡材料和空气中的氧气作为电子受体既经济又环保，且可通过外电阻两端电压变化实时监测微生物的活性。
24.4)本发明的空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，选择构造简单的单室系统，摒弃了双室微生物燃料电池占地面积较大，操作不便及成本较高的局限性；不使用价格昂贵、寿命短、安装难度大的质子或阳离子交换膜，降低了微生物燃料电池的成本和操作难度。
25.5)本发明的空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，除了用于厌氧降解挥发性有机气体之外，还可以用于好氧处理废水。
26.6)本发明可实现工业废气中的高效净化，在降解污染物的同时产电，且不产生任何二次污染，容易推广，净化成本低。
附图说明
27.图1本发明一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置结构图；
28.图2空气阴极结构示意图。
29.图中标记说明：1、搅拌电机；2、出气口；3、第一采样口；4、碳毡阳极；5、反应器基体；6、空气阴极；7、搅拌棒；8、钛合金杆子；9、进气口；10、第二采样口。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
33.参考图1和图2，本发明的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，包括：
34.反应器基体5，具有容纳反应液体的内腔，内腔设有钛合金杆8以及搅拌棒7；搅拌棒7的一端贯穿反应器基体5伸入内腔并与反应液体接触，另一端与反应器基体5顶部的搅拌电机1传动连接；钛合金杆8的一端贯穿反应器基体5伸入内腔并与反应液体接触，另一端外露于反应器基体5顶部；反应器基体5的顶部开设有出气口2以及第一采样口3，底部设置有进气口9以及第二采样口10，待处理气体通过底部的进气口9进入，处理后的气体通过顶部的出气口2流出；
35.碳毡阳极4，包覆在位于内腔的钛合金杆8的外部；
36.以及空气阴极6，反应器基体5的外侧壁上开设有圆形孔洞，空气阴极6包覆于圆形孔洞的外部且与反应器基体5外侧壁固接；
37.空气阴极6与碳毡阳极4的另一端之间连接有一电阻，通过记录电阻两端的电压来检测微生物活性变化，且可通过改变外电阻来绘制极化曲线，检测反应器电能输出情况。其中，电阻为1000ω。
38.进一步的，所述空气阴极6的两侧分别为液体侧和空气侧，液体侧涂覆有铂碳催化剂，气体扩侧涂覆有聚四氟乙烯溶液。
39.进一步的，所述空气阴极6的制作方法如下：将碳材料的一测涂覆5％的铂碳催化剂，并在马弗炉下200℃煅烧2h后取出冷却，将这一侧作为溶液测；将碳材料的另一侧均匀涂覆炭黑粉末后将聚四氟乙烯溶液涂覆在其表面，用吹风机烘干其表面后继续涂覆聚四氟乙烯溶液再次用吹风机烘干，如此重复4遍后将这一侧作为空气侧。
40.进一步的，所述圆形孔洞的直径与反应器基体5的高度之比为3：1；所述空气阴极6与圆形孔洞的面积大小之比为1.5～3：1。
41.进一步的，所述反应器基体5为压力容器，操作压力为0.8～1.5atm。
42.进一步的，所述反应器基体5形状可以是长方体、正方体或圆柱体。
43.进一步的，所述反应器基体5形状是长方体，长宽高之比为4：3：9。
44.进一步的，所述搅拌棒7为不锈钢材质，下部末端设有搅拌叶片，所述搅拌叶片的转速为0～500rpm。
45.进一步的，所述碳毡阳极4为筒状结构。
46.本发明使用时，进气口9通入待处理污染气体，经过搅拌叶片连续搅拌后，与反应溶液充分混合，与粘附在阳极上的微生物之间接触，部分吸附在碳毡阳极上的污染物发生原位降解，提高降解及产电的能力。
47.粘附在阳极表面的微生物将液体中的有机物快速降解产生电子和二氧化碳，二氧化碳随气流排出，电子通过连接的电阻传递到空气阴极与空气中的氧气反应生成水，同时检测电阻两端的电压变化来检测反应器基体内微生物的活性。
48.当待处理污染气体疏水性较强时，还可在反应器内部加入特定的生物亲和性较强的非水相如硅油，硅酮粉等；在反应器内构建两相分配系统，通过搅拌叶片的连续搅拌，使非水相充分分散于液体中，进一步加强疏水性有机污染物的传质效率，从而提高降解和产电。
49.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，包括：反应器基体，具有容纳反应液体的内腔，内腔设有钛合金杆以及搅拌棒；搅拌棒的一端贯穿反应器基体伸入内腔并与反应液体接触，另一端与反应器基体顶部的搅拌电机传动连接；钛合金杆的一端贯穿反应器基体伸入内腔并与反应液体接触，另一端外露于反应器基体顶部；反应器基体的顶部开设有出气口以及第一采样口，底部设置有进气口以及第二采样口，待处理气体通过底部的进气口进入，处理后的气体通过顶部的出气口流出；碳毡阳极，包覆在位于内腔的钛合金杆的外部；以及空气阴极，反应器基体的外侧壁上开设有圆形孔洞，空气阴极包覆于圆形孔洞的外部且与反应器基体外侧壁固接；空气阴极与碳毡阳极的另一端之间连接有一电阻，通过记录电阻两端的电压来检测微生物活性变化，且可通过改变外电阻来绘制极化曲线，检测反应器电能输出情况。2.如权利要求1所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述空气阴极的两侧分别为液体侧和空气侧，液体侧涂覆有铂碳催化剂，气体扩侧涂覆有聚四氟乙烯溶液。3.如权利要求1所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述空气阴极的制作方法如下：将碳材料的一测涂覆5％的铂碳催化剂，并在马弗炉下200℃煅烧2h后取出冷却，将这一侧作为溶液测；将碳材料的另一侧均匀涂覆炭黑粉末后将聚四氟乙烯溶液涂覆在其表面，用吹风机烘干其表面后继续涂覆聚四氟乙烯溶液再次用吹风机烘干，如此重复4遍后将这一侧作为空气侧。4.如权利要求1所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述圆形孔洞的直径与反应器基体的高度之比为3：1；所述空气阴极与圆形孔洞的面积大小之比为1.5～3：1。5.如权利要求1所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应器基体为压力容器，操作压力为0.8～1.5atm。6.如权利要求1～5任意一项所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应器基体形状可以是长方体、正方体或圆柱体。7.如权利要求6所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述反应器基体形状是长方体，长宽高之比为4：3：9。8.如权利要求7所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述搅拌棒为不锈钢材质，下部末端设有搅拌叶片，所述搅拌叶片的转速为0～500rpm。9.如权利要求8所述的一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，其特征在于，所述碳毡阳极为筒状结构。

技术总结
本发明公开了一种空气阴极连续搅拌式微生物燃料电池装置，包括反应器基体，具有容纳反应液体的内腔，内腔设有钛合金杆以及搅拌棒；碳毡阳极，包覆在位于内腔的钛合金杆的外部；以及空气阴极，反应器基体的外侧壁上开设有圆形孔洞，空气阴极包覆于圆形孔洞的外部且与反应器基体外侧壁固接；空气阴极与碳毡阳极的另一端之间连接有一电阻，通过记录电阻两端的电压来检测微生物活性变化，且可通过改变外电阻来绘制极化曲线，检测反应器电能输出情况。本发明装置结构简单，无需质子交换膜，可在降解有机污染物的同时进行发电，不断搅拌的过程中提高了微生物燃料电池阳极的反应效率，提高了降解效果，采用价格低廉的碳材料作为电极，节约了构建成本。节约了构建成本。


技术研发人员：陈建孟 于健 尤菊平 陈东之 季真毅 冯克
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/9/14