微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠提高電力生產(chǎn)力并抑制發(fā)電成本的微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法、利用微生物的電力生產(chǎn)方法及在該電力生產(chǎn)方法中使用的微生物的選擇性培養(yǎng)方法。在微生物發(fā)電裝置(1)中，例如在棲息于廢水、泥漿、活性污泥等內(nèi)的微生物中，將氧化石墨烯還原的微生物(還原微生物(3))集聚。因此，氧化石墨烯被上述還原微生物(3)還原，因此生成石墨烯。通過生成的石墨烯能夠?qū)⑽⑸锂a(chǎn)生的電子向負(fù)極(14)傳遞，因此能夠提高電力生產(chǎn)力，并廉價(jià)地進(jìn)行發(fā)電。
【專利說明】微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用微生物進(jìn)行發(fā)電的微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法、以及利用微生物的電力生產(chǎn)方法及該電力生產(chǎn)方法所使用的微生物的選擇性培養(yǎng)方法，尤其是涉及一種能夠使用石墨烯提高電力生產(chǎn)力的微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法、利用微生物的電力生產(chǎn)方法及該電力生產(chǎn)方法所使用的微生物的選擇性培養(yǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，對(duì)于考慮了地球環(huán)境的發(fā)電方法的需求升高，微生物發(fā)電的技術(shù)開發(fā)也不斷發(fā)展。微生物發(fā)電是將微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化分解(代謝)時(shí)產(chǎn)生的還原力(電子)作為電流取出來發(fā)電的方法。即，微生物發(fā)電裝置是以微生物為催化劑的燃料電池。
[0003]例如，微生物發(fā)電裝置具備收納有負(fù)極、微生物、作為基質(zhì)的有機(jī)物的負(fù)極室、將正極包裹在內(nèi)的正極室，負(fù)極室和正極室由陽離子能夠透過的隔膜分隔。負(fù)極與正極經(jīng)由外部電路而連接，由此轉(zhuǎn)移到負(fù)極的電子向正極移動(dòng)，向與正極相接的電子受體轉(zhuǎn)移。通過這樣的電子的移動(dòng)而在正極與負(fù)極之間產(chǎn)生電流，能夠?qū)㈦娏ο蛲獠咳〕觥?br> [0004]在此，以往的微生物發(fā)電裝置比化學(xué)性的燃料電池的電力生產(chǎn)能力低。因此，為了使電力生產(chǎn)量增大，將電子傳遞物質(zhì)(電子中介物)向負(fù)極室內(nèi)添加。電子中介物經(jīng)由細(xì)胞膜而在微生物的體內(nèi)外往來，將在微生物體內(nèi)接收到電子的電子向電極移送，或者將向細(xì)胞外放出的電子移送至電極。作為這樣的電子中介物，多使用醌類等。
[0005]另一方面，由于微生物發(fā)電裝置對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解并生產(chǎn)電力，因此提出了與通過微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行分解的凈化處理進(jìn)行組合，一邊進(jìn)行凈化處理一邊進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)(例如，參照專利文獻(xiàn)1、2)。一般的廢水處理對(duì)大量的廢水進(jìn)行處理，因此若為了提高電力生產(chǎn)量而欲使用電子中介物，則大量地需要昂貴的電子中介物。而且，對(duì)于向系統(tǒng)外放出的電子中介物必須持續(xù)補(bǔ)充，因此發(fā)電成本高漲。而且，電子中介物多具備毒性，無法容易地使用電子中介物。
[0006]因此，研究了取代電子中介物而使用了含有氧化鐵等的導(dǎo)電性微粒子的微生物發(fā)電裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。
[0007]另外，作為使電力生產(chǎn)力提高的手法，研究了電池材料使用納米碳材料的情況。納米碳材料是優(yōu)異的導(dǎo)電材料，而且化學(xué)性上穩(wěn)定，因此作為電池材料而引起注目，例如，報(bào)告了使用在石墨或碳布的基本電極使碳納米管或石墨烯等導(dǎo)電性材料進(jìn)行修飾這樣的納米技術(shù)的負(fù)極(例如，參照非專利文獻(xiàn)1、2)。而且，報(bào)告了使物理化學(xué)性地合成的片狀的石墨烯片包含在溶膠凝膠基質(zhì)中，并使用石墨烯作為從酶向電極的電子傳遞物質(zhì)(流動(dòng)性電極)，由此以葡萄糖氧化酶為催化劑的酶電池的電力生產(chǎn)活躍(例如，參照非專利文獻(xiàn)3)。
[0008]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)1:日本特開2006-81963號(hào)公報(bào)[0011]專利文獻(xiàn)2:日本特開2006-114375號(hào)公報(bào)
[0012]專利文獻(xiàn)3:W02009/119846號(hào)公報(bào)
[0013]非專利文獻(xiàn)
[0014]非專利文獻(xiàn)1:Zhao，Y.，Nakanish1、S.，Watanabe、K.，Hashimoto，K.(2011).Hydroxylated and aminated polyaniline nanowire networksfor improvinganode performance in microbial fuel cel Is.Journal of BioscienceandBioengineering.112:63-66
[0015]非專利文獻(xiàn)2:Zhang，Y.，Mo，G.，Li, X.，Zhang、W.，Zhang, J.、Ye、J., Huang, X., Yuj C.(2011)A graphene modified anode toimprove the performance ofmicrobial fuel cells.Journal of Power Sourcesl96:5402-5407.[0016]非專利文獻(xiàn)3:Liu，C.，S.Alwarappan、et al.(2010)."Membranelessenzymatic biofuel cells based on graphene nanosheets."Biosensors andBioelectronics25 (7):1829-1833.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]發(fā)明要解決的課題
[0018]然而，在以往的微生物發(fā)電裝置中，取出的電力比氫燃料電池等化學(xué)燃料電池顯著降低，在實(shí)用時(shí)存在需要進(jìn)一步的電力生產(chǎn)量的提高這樣的問題點(diǎn)。
[0019]而且，如非專利文獻(xiàn)I至3所示那樣若使用納米碳材料，則雖然能夠提高電池特性，但是納米碳材料的制造要求高度的技術(shù)，難以低成本地量產(chǎn)導(dǎo)電性優(yōu)異的納米碳材料。因此，納米碳材料的使用會(huì)使成本上升，存在越成為大型的發(fā)電裝置而成本越擴(kuò)大的問題點(diǎn)。而且，非專利文獻(xiàn)I及2公開的技術(shù)本來是在反應(yīng)槽整體內(nèi)存在的微生物之中，從與負(fù)極接觸的微小的微生物進(jìn)行集電的構(gòu)造，因此即使通過負(fù)極的改良而將電池性能改良，也存在難以大幅提高電力生產(chǎn)這樣的問題點(diǎn)。
[0020]另外，在非專利文獻(xiàn)3公開的酶電池的技術(shù)中，斥水性石墨烯在水溶液之中難以分散并高效地與作為催化劑的酶接觸，因此使用了酶電池的驗(yàn)證試驗(yàn)所示的效果被限定為石墨烯非投入系統(tǒng)的2倍左右。因此，即使將該技術(shù)單純地適用于微生物發(fā)電裝置，也無法大幅地提高電力生產(chǎn)，其結(jié)果是，無法提供低成本且具備充分的電力生產(chǎn)力的現(xiàn)實(shí)能夠利用的微生物發(fā)電裝置。
[0021]本發(fā)明為了解決上述問題點(diǎn)而作出，目的尤其在于提供一種能夠提高電力生產(chǎn)力并抑制發(fā)電成本的微生物發(fā)電裝置、微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法、利用微生物的電力生產(chǎn)方法及該電力生產(chǎn)方法所使用的微生物的選擇性培養(yǎng)方法。
[0022]解決方案
[0023]為了實(shí)現(xiàn)該目的，微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第一結(jié)構(gòu)具備負(fù)極部、正極部及外部電路，所述負(fù)極部具有包含有機(jī)性物質(zhì)的液體和負(fù)極并在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，所述正極部具有正極，所述外部電路將所述正極與所述負(fù)極電連接，所述微生物發(fā)電裝置經(jīng)由該外部電路從所述負(fù)極部向所述正極部移送電子而進(jìn)行發(fā)電，所述微生物發(fā)電裝置中，所述負(fù)極部具備石墨烯。
[0024]需要說明的是，在負(fù)極部內(nèi)可以與包含有機(jī)性物質(zhì)的液體一起包含污泥、泥漿、水域堆積物等固態(tài)物，也可以僅保持液體。而且，在與液體一起保持固態(tài)物時(shí)，可以是固體成分比液體成分的體積比例大的狀態(tài)，例如，可以是含有水分的土壤的狀態(tài)。而且，在厭氧氣氛下微生物進(jìn)行生物降解的有機(jī)性物質(zhì)可以為了維持微生物的活動(dòng)而從外部適當(dāng)供給，也可以通過在微生物發(fā)電裝置內(nèi)栽植植物等而利用從該植物放出的有機(jī)性物質(zhì)。
[0025]微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第二結(jié)構(gòu)以所述第一結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，所述石墨烯是在液體中利用微生物將氧化石墨烯還原而生成的石墨烯。
[0026]微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第三結(jié)構(gòu)以所述第一或第二結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，所述石墨烯是利用所述負(fù)極部內(nèi)的微生物將導(dǎo)入到所述負(fù)極部的氧化石墨烯還原而生成的石墨烯。
[0027]微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第四結(jié)構(gòu)以所述第二或第三結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，所述石墨烯在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下形成疏密的聚集結(jié)構(gòu)。
[0028]微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第五結(jié)構(gòu)以所述第一至第四結(jié)構(gòu)中的任一結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，具有:供給口，供給包含有機(jī)性物質(zhì)的液體；及排出口，供從所述供給口供給的液體在經(jīng)過所述負(fù)極部及所述正極部之后排出，所述正極部具備形成為能夠積存被供給的液體并向所述正極供給氧的氧供給單元，且所述正極部被導(dǎo)入有石墨烯。
[0029]需要說明的是，“氧供給單元”例示了在將正極包裹于正極部時(shí)，在正極部設(shè)置開口而正極的至少一部分暴露于大氣地配置的情況、和在積存于正極部的液體中進(jìn)行曝氣的結(jié)構(gòu)。而且，“供給氧”可以以氧氣的狀態(tài)供給，也可以以氧與其他的氣體的混合氣體或空氣的狀態(tài)供給。
[0030]微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第六結(jié)構(gòu)以所述第五結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，具備:積存槽，積存從所述正極部排出的液體；放出口，是在所述積存槽的壁上方設(shè)置的開口部，且將積存于所述積存槽的液體的上層清液放出；及送回單元，將沉淀于所述積存槽的污泥向所述正極部送回。
[0031]微生物發(fā)電裝置用電極的發(fā)明的結(jié)構(gòu)是用于微生物發(fā)電裝置的電極，所述微生物發(fā)電裝置將微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解時(shí)生成的電子向外部取出而進(jìn)行發(fā)電，所述微生物發(fā)電裝置用電極具有在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下石墨烯集聚而成的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。
[0032]微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的發(fā)明的構(gòu)成中，所述微生物發(fā)電裝置用電極用于微生物發(fā)電裝置，所述微生物發(fā)電裝置將微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解時(shí)生成的電子向外部取出而進(jìn)行發(fā)電，所述微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法包括將包含有機(jī)性物質(zhì)和氧化石墨烯的液體在微生物存在下保持為厭氧氣氛的培養(yǎng)工序，在所述培養(yǎng)工序中，通過微生物將氧化石墨烯還原成石墨烯，并且生成的石墨烯在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下通過自我聚集而一體化來形成導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。
[0033]利用微生物的電力生產(chǎn)方法的發(fā)明的構(gòu)成在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，并且通過外部電路將伴隨著生物降解產(chǎn)生的電子從負(fù)極向正極送出而進(jìn)行發(fā)電，所述利用微生物的電力生產(chǎn)方法中，在所述負(fù)極與微生物之間介有石墨烯，將微生物產(chǎn)生的電子向所述負(fù)極傳遞。
[0034]微生物的選擇性培養(yǎng)方法的發(fā)明的構(gòu)成使用在所述電力生產(chǎn)方法的發(fā)明中，其中，使用包含有機(jī)性物質(zhì)及氫作為電子供體并包含氧化石墨烯作為電子受體的瓊脂糖固體培養(yǎng)基，以環(huán)境中的試樣為微生物接種源，通過所述瓊脂糖固體培養(yǎng)基對(duì)附著于該微生物接種源的微生物進(jìn)行培養(yǎng)，以將氧化石墨烯還原而生成的黑色石墨烯為指標(biāo)，選擇性地分離將氧化石墨烯還原的微生物。
[0035]發(fā)明效果
[0036]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第一結(jié)構(gòu)，在負(fù)極部在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，將生成的電子從負(fù)極經(jīng)由外部電路向正極移送。伴隨著負(fù)極部的上述反應(yīng)而生成的陽離子向正極側(cè)移動(dòng)，在與經(jīng)由外部電路向正極部移送的電子的電化學(xué)反應(yīng)中被消耗。由此產(chǎn)生發(fā)電。負(fù)極部具備的石墨烯是優(yōu)異的電子傳導(dǎo)材料，因此通過所述石墨烯能夠使從微生物到負(fù)極的電子傳遞容易化，具有能夠提高電力生產(chǎn)量這樣的效果。而且，通過適當(dāng)供給有機(jī)性物質(zhì)而能夠維持微生物的活動(dòng)，此外，在從栽植于微生物發(fā)電裝置內(nèi)的植物放出有機(jī)性物質(zhì)時(shí)，不從外部供給有機(jī)性物質(zhì)而在該發(fā)電裝置內(nèi)能夠自給。
[0037]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第二結(jié)構(gòu)，除了所述第二結(jié)構(gòu)起到的效果之外，石墨烯通過在液體中微生物將氧化石墨烯還原而生成，因此具有能夠簡(jiǎn)便且容易地得到石墨烯這樣的效果。而且，不使用特殊的裝置或微生物，而且與物理化學(xué)性的制作手法相比能夠大量地制作石墨烯，因此具有即使向本裝置導(dǎo)入石墨烯也能夠抑制裝置成本這樣的效果。
[0038]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第三結(jié)構(gòu)，除了所述第一或第二結(jié)構(gòu)起到的效果之夕卜，石墨烯是向負(fù)極部導(dǎo)入的氧化石墨烯被負(fù)極部內(nèi)的微生物還原并生成的石墨烯，因此具有在本裝置內(nèi)能夠制作石墨烯這樣的效果。S卩，不用分體地設(shè)置制造裝置，能夠?qū)⒈狙b置直接利用作為石墨烯的制造裝置，而且制作的石墨烯能夠直接在負(fù)極部使用，因此能夠簡(jiǎn)化從石墨烯的制造到進(jìn)行發(fā)電為止的整體工序而提高作業(yè)性。
[0039]另外，生成石墨烯(將氧化石墨烯還原)的微生物是能夠?qū)绦蔚碾娮邮荏w進(jìn)行還原的細(xì)胞外電子傳遞微生物，即是電流生產(chǎn)微生物。在此，進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物優(yōu)選使對(duì)因代謝而產(chǎn)生的電子進(jìn)行交接的物質(zhì)存在于自己的附近。因此，將氧化石墨烯還原的微生物集聚在生成的石墨烯上。換言之，電流生產(chǎn)微生物選擇性地集聚，從而能促進(jìn)電流生產(chǎn)效率。
[0040]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第四結(jié)構(gòu)，除了所述第二或第三起到的效果之外，石墨烯在將氧化石墨烯還原的微生物附著的狀態(tài)下形成疏密的聚集結(jié)構(gòu)，因此與僅是石墨烯聚集的情況相比，能得到空隙分布于聚集體整體的體積大的狀態(tài)。因此，能夠使石墨烯分布在負(fù)極部內(nèi)的大范圍內(nèi)，能夠從存在于負(fù)極部整體的微生物廣泛地進(jìn)行集電。因而，具有增大有助于電流生成的微生物數(shù)并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)電力的提高這樣的效果。
[0041]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第五結(jié)構(gòu)，除了所述第一至第四中任一結(jié)構(gòu)起到的效果之外，從供給口供給的包含有機(jī)性物質(zhì)的液體經(jīng)由負(fù)極部及正極部而從排出口排出。在此液體積存于正極部，通過氧供給單元向正極供給氧。由此，具有如下的效果:在正極，利用存在于正極周圍的氧，能夠使氧、質(zhì)子、電子參與的電化學(xué)反應(yīng)(還原反應(yīng))順暢地進(jìn)行。
[0042]此外，在成為好氧性環(huán)境的正極部能夠積存液體，因此在正極部中能夠促進(jìn)液體中的有機(jī)物的好氧性分解，能夠減少從排出口排出的液體中的有機(jī)性物質(zhì)而提高排液的水質(zhì)。即，若供給的液體為廢水，則能夠利用本裝置執(zhí)行廢水處理。
[0043]在此，質(zhì)子在液相中移動(dòng)而到達(dá)正極，因此成為正極與液體相接的構(gòu)成，但是液體中向正極上的氧供給量下降，因此電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)性下降。然而，由于在正極部的反應(yīng)中能夠使石墨烯作為催化劑發(fā)揮作用，因此通過上述石墨烯的催化劑作用能夠提高正極部的電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)性。因而，能夠一邊進(jìn)行廢水處理一邊良好地進(jìn)行發(fā)電。
[0044]根據(jù)微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第六結(jié)構(gòu)，除了所述第五結(jié)構(gòu)起到的效果之外，從正極部排出的液體積存于積存槽，從設(shè)置在該積存槽的壁上方的放出口將上層清液放出。在正極部進(jìn)行好氧性分解時(shí)，污泥增加，在進(jìn)行曝氣或攪拌的情況下，伴隨著來自正極部的液體的排出而污泥也流出。來自正極部的液體積存于積存槽，由此液體中的污泥沉淀，能夠從放出口僅將處理水(上層清液)向外部放出。在此，石墨烯也從正極部向積存槽流出，但在污泥中存在該石墨烯，由此具有能夠提高污泥的沉淀性這樣的效果。而且，在積存槽內(nèi)沉淀的污泥由送回單元向正極部送回，因此能夠容易地回收流出的石墨烯，具有能夠反復(fù)使用石墨烯這樣的效果。
[0045]根據(jù)微生物發(fā)電裝置用電極的發(fā)明的構(gòu)成，具有在將氧化石墨烯還原的微生物附著的狀態(tài)下石墨烯集聚而成的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體而形成，因此能夠形成通過石墨烯進(jìn)行電子傳導(dǎo)的電極結(jié)構(gòu)，具有與使用了金屬或石墨的電極相比能夠提高電子傳導(dǎo)性這樣的效果。為了促進(jìn)來自微生物的電回收而通常使用鉬等貴金屬催化劑。在本電極中，通過來自石墨烯具備的微生物的電回收的促進(jìn)作用，能夠替代貴金屬催化劑，因此能夠減少鉬等貴金屬催化劑的使用量，具有能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化這樣的效果。
[0046]而且，將氧化石墨烯還原的微生物是能夠進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物，本電極具備在上述微生物附著的狀態(tài)下石墨烯集聚而成的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。因此，微生物產(chǎn)生的電子能夠通過石墨烯高效地傳導(dǎo)。而且，與僅通過浮游在液中的微生物與電極接觸而從微生物向電極傳遞電子的情況相比，能夠高頻度地執(zhí)行從微生物向電極的電子傳遞。由此，通過使用本微生物發(fā)電裝置用電極，具有能發(fā)揮優(yōu)異的發(fā)電性能這樣的效果。
[0047]根據(jù)微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的發(fā)明的構(gòu)成，通過培養(yǎng)工序，包含有機(jī)性物質(zhì)和氧化石墨烯的液體在微生物存在下保持為厭氧氣氛。這樣，在該培養(yǎng)工序中，氧化石墨烯借助通過微生物的有機(jī)酸氧化產(chǎn)生的還原力而被還原成石墨烯，并且生成的石墨烯在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下通過自我聚集而一體化來形成導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。因而，具有無需使用高度且大規(guī)模的裝置就能夠簡(jiǎn)便且廉價(jià)地制造出電子傳導(dǎo)性優(yōu)異的電極這樣的效果。而且，通過使用在本制造方法中制造的微生物發(fā)電裝置用電極，具有能使微生物發(fā)電裝置發(fā)揮優(yōu)異的發(fā)電性能這樣的效果。
[0048]根據(jù)利用微生物的電力生產(chǎn)方法的發(fā)明的構(gòu)成，在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，并且伴隨著生物降解而微生物產(chǎn)生的電子由介在負(fù)極與微生物之間的石墨烯向負(fù)極傳遞。向負(fù)極傳遞的電子通過外部電路向正極送出而進(jìn)行發(fā)電。由此，具有能夠使微生物產(chǎn)生的電子向負(fù)極傳遞的情況容易化，能夠提高電力生產(chǎn)量這樣的效果。
[0049]根據(jù)微生物的選擇性培養(yǎng)方法的發(fā)明的構(gòu)成，以氧化石墨烯被還原而生成的黑色石墨烯為指標(biāo)，能夠使氧化石墨烯還原微生物選擇性地分離，因此具有例如通過目視檢測(cè)黑色石墨烯，能夠簡(jiǎn)便且高效地使將氧化石墨烯還原的微生物選擇性地分離這樣的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置的概要的圖。
[0051]圖2是表示第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0052]圖3是表示第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。[0053]圖4是在第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置上并列設(shè)置的石墨烯制造裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖。
[0054]圖5是說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置用電極的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)及其制造方法的圖。
[0055]圖6是表示微生物發(fā)電裝置的實(shí)施方式的應(yīng)用例的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0056]圖7是表示微生物發(fā)電裝置的實(shí)施方式的應(yīng)用例的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0057]圖8是表示使用了石墨烯電極的發(fā)電狀態(tài)的坐標(biāo)圖。
[0058]圖9是表示土壤電池的實(shí)施例的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0059]圖10是表示土壤電池的實(shí)施例的發(fā)電狀態(tài)的坐標(biāo)圖。
[0060]圖11是表示稻田電池的實(shí)施例的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。
[0061]圖12是表示稻田電池的實(shí)施例的發(fā)電狀態(tài)的坐標(biāo)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062]以下，關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，參照附圖進(jìn)行說明。在以下的圖中，對(duì)于同一構(gòu)件，標(biāo)注同一標(biāo)號(hào)，省略或簡(jiǎn)化說明。附圖示意性地示出發(fā)明的構(gòu)成，省略或簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的一部分，尺寸也與實(shí)際的裝置未必相同。
[0063]圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置I的概要的圖。圖1(a)是微生物發(fā)電裝置I的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)是將圖1(a)的I所示的部分放大表示的局部放大圖。
[0064]如圖1(a)所示，微生物發(fā)電裝置I具備由非導(dǎo)電性材料形成的殼體2。殼體2形成為上表面敞開的有底的圓筒狀，在其內(nèi)部具備負(fù)極室11和正極室12。
[0065]負(fù)極室11形成在殼體2的下方，由包含有機(jī)物質(zhì)(基質(zhì)4)的水系液體將負(fù)極室11的內(nèi)部充滿。因此，從上表面的開口部的空氣的流入被隔斷，負(fù)極室11內(nèi)保持為厭氧性環(huán)境。成為在水系液體中混合有土、泥漿、污泥等固體成分的狀態(tài)。而且，在負(fù)極室11內(nèi)，與水系液體一起保持有微生物和石墨稀。
[0066]在此，使用圖1(b)的負(fù)極室11內(nèi)的局部放大圖來說明負(fù)極室11內(nèi)產(chǎn)生電子的反應(yīng)機(jī)構(gòu)。
[0067]在負(fù)極室11內(nèi)，在初始狀態(tài)下，與含有有機(jī)物質(zhì)(基質(zhì)4)的水系液體、土、泥漿、污泥、水域堆積物等一起投入氧化石墨烯(在圖1(b)中，由GO指示的白六邊形圖示)。在土、泥漿、污泥、水域堆積物等中含有微生物或有機(jī)物質(zhì)，因此通過將它們投入，而向負(fù)極室11導(dǎo)入微生物和有機(jī)物質(zhì)。需要說明的是，也可以將作為基質(zhì)4的有機(jī)物質(zhì)另行地向負(fù)極室11添加。
[0068]作為添加的基質(zhì)，例如例示了葡萄糖等糖類、乳酸或醋酸等低級(jí)脂肪酸、胨或酵母萃取物等復(fù)合有機(jī)萃取物等。優(yōu)選使用醋酸。
[0069]另外，水系液體是指包含水、有機(jī)物或無機(jī)物等溶質(zhì)所溶解的水溶液、有機(jī)溶劑混雜的混合溶劑、乳膠、懸濁物等的概念。
[0070]由于投入的氧化石墨烯為親水性，因此在水系液體中良好地分散，在負(fù)極室11的整體中廣泛地分布。而且，由于負(fù)極室11成為厭氧性環(huán)境，因此因厭氧性微生物而有機(jī)物質(zhì)(基質(zhì)4)被代謝(生物降解)。在此過程中生成電子(在圖1(b)中由e_表示)。需要說明的是，雖然省略圖示，但是作為代謝產(chǎn)物而放出氫離子。
[0071]在厭氧性微生物中，進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的還原微生物3將通過有機(jī)酸氧化而生成的電子向氧化石墨烯供給，氧化石墨烯被還原成石墨烯(在圖1(b)中，由G指示的黑六邊形圖示)。然后，通過還原微生物3由基質(zhì)4的氧化而產(chǎn)生的電子由石墨烯回收，進(jìn)而經(jīng)由接觸的另一石墨烯而向負(fù)極14傳遞。由此，與從還原微生物3向負(fù)極14的直接的電子傳遞一起，還進(jìn)行經(jīng)由了石墨烯的電子傳遞物質(zhì)，由此總的說來電子傳遞被促進(jìn)。因此，能夠提高能夠向外部取出的電力。
[0072]如此，通過添加氧化石墨烯，將氧化石墨烯還原成石墨烯的還原微生物3被集聚(選擇性地濃縮培養(yǎng))。在基于厭氧性微生物的代謝機(jī)構(gòu)中，在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外進(jìn)行電子的交接。在此還原微生物3原本是具有細(xì)胞外電子傳遞能的微生物，因此進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物集聚在負(fù)極室11內(nèi)。因而，能夠?qū)⑦M(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物產(chǎn)生的電子向外部電路16取出。因此，能夠不需要從外部投入用于從微生物體內(nèi)取出電子的電子中介物。而且，石墨烯是優(yōu)異的導(dǎo)電性材料，而且對(duì)于酸等化學(xué)物質(zhì)也穩(wěn)定。因此，即使在水系液體中也能長期維持電氣特性，通過將該石墨烯使用于電子傳遞物質(zhì)，本微生物發(fā)電裝置I能夠保持穩(wěn)定的發(fā)電性能。
[0073]另外，在接受微生物放出的電子并經(jīng)由作為導(dǎo)電性物質(zhì)的石墨烯向負(fù)極交接電子由此進(jìn)行發(fā)電的手法中，微生物與導(dǎo)電性物質(zhì)越多地接觸，電力生產(chǎn)量越提高，因此導(dǎo)電性物質(zhì)的比表面積越大越有效。石墨烯由于具有與體積相等的表面積，因此與金屬微粒子等相比,表面積格外高,因此成為優(yōu)良的導(dǎo)電性物質(zhì)。
[0074]以往，提出了通過化學(xué)氣相成長法或物理性的手法來生產(chǎn)石墨烯的方法，但是在上述的現(xiàn)有方法中難以大量地生產(chǎn)石墨烯。然而，在本實(shí)施方式中，以能夠用酸對(duì)廉價(jià)的石墨進(jìn)行處理而簡(jiǎn)便地得到的氧化石墨烯為原料，通過微生物(還原微生物3)進(jìn)行還原，由此與現(xiàn)有方法相比，能夠容易地生產(chǎn)大量的石墨烯。而且，在現(xiàn)有方法中，即使得到大量的石墨烯，若向水系液體投入則直接聚集，因此無法有效利用石墨烯本來的比表面積。
[0075]然而，在本手法中，得到的石墨烯成為還原微生物3附著的狀態(tài)，在水系的液體中成為絮凝物狀(疏密的聚集結(jié)構(gòu))。因此，能夠充分確保存在于負(fù)極室11內(nèi)的進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物接觸的面積(能夠利用的石墨烯的面積)，能夠使更多的微生物與石墨烯接觸而有助于電流生成，能夠提高能夠向外部電路16取出的電流量。
[0076]需要說明的是，在此，作為保持于負(fù)極室11的微生物(還原微生物3)，是能夠進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物，在變形菌綱的地桿菌屬細(xì)菌、希瓦氏菌屬細(xì)菌、脫硫化弧菌屬細(xì)菌等中，例示了它們包含I或2種以上的微生物群集。
[0077]另外，在負(fù)極室11的底部附近配置有與外部電路16的導(dǎo)線16b電連接的負(fù)極14。負(fù)極14由導(dǎo)電性材料形成，對(duì)在微生物分解有機(jī)物質(zhì)的微生物的代謝反應(yīng)中產(chǎn)生的電子進(jìn)行集電。負(fù)極14從在厭氧性環(huán)境中對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解的微生物接受電子，因此配置在厭氧度更高的殼體底部附近。
[0078]該負(fù)極14選擇對(duì)在負(fù)極室11內(nèi)產(chǎn)生的酸等具備耐久性的結(jié)構(gòu)。具體而言，使用例如使用石墨、碳布、碳紙等碳電極或金屬等而形成的結(jié)構(gòu)。需要說明的是，可以使用后述的本發(fā)明的石墨烯電極。
[0079]返回圖1 (a)進(jìn)行說明。在負(fù)極室11的上方設(shè)有對(duì)負(fù)極室11和正極室12進(jìn)行劃設(shè)的劃設(shè)構(gòu)件13。該劃設(shè)構(gòu)件13將殼體2的內(nèi)部劃分成負(fù)極室11和正極室12，具有防止來自負(fù)極室11的石墨烯及微生物的流入，并防止向負(fù)極11的氧供給的效果。具體而言，由無紡布構(gòu)成。劃設(shè)構(gòu)件13的周部與殼體2的內(nèi)壁內(nèi)接，通過劃設(shè)構(gòu)件13的下側(cè)面來形成負(fù)極室11的一面，通過劃設(shè)構(gòu)件13的上側(cè)面來形成正極室12的一面。
[0080]劃設(shè)構(gòu)件13將負(fù)極室11中的石墨烯或泥漿等固態(tài)物向正極室12的流入隔斷，而使在負(fù)極室11內(nèi)生成的陽離子(質(zhì)子)向正極室12透過。因此，劃設(shè)構(gòu)件13的下側(cè)面與積存于負(fù)極室11內(nèi)的水系液體的液面緊密接觸，在正極室12內(nèi)積存有水系液體。由此,成為由從負(fù)極室11或正極室12浸入的液體充滿的狀態(tài)，從負(fù)極室11到正極室12形成連續(xù)的液相。因而，在負(fù)極室11內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)子能夠透過劃設(shè)構(gòu)件13而向正極室12側(cè)移動(dòng)。需要說明的是，也可以取代無紡布，利用濾紙、0.05?0.5mm直徑玻璃珠堆積層來構(gòu)成劃設(shè)構(gòu)件13，而且，也可以由質(zhì)子透過膜或陽離子交換膜構(gòu)成。此外，在負(fù)極室11的水系液體內(nèi)混合有較多的土壤等固態(tài)物，且負(fù)極室11由漿料狀的液狀體充滿時(shí)，可以不設(shè)置劃設(shè)構(gòu)件13。
[0081]正極室12上表面開口，且保持于向大氣暴露的好氧性環(huán)境中。在正極室12內(nèi)，如上述那樣，積存水系液體，形成氣液界面。在該氣液界面上配置正極15。
[0082]正極15由導(dǎo)電性材料構(gòu)成，經(jīng)由外部電路16而與負(fù)極14和金屬導(dǎo)線連接。該正極15成形為平板狀，以面方向成為與液面大致水平的方式配置。在正極15中，發(fā)生將大氣中的氧與液中的質(zhì)子消耗的電化學(xué)反應(yīng)。因此，為了提高反應(yīng)效率，以使正極15的寬闊的面與大氣和積存的水系液體這雙方以更大面積接觸的方式將面方向配置成與液面大致水平，下表面?zhèn)扰渲贸膳c液面相接的高度(氣液界面)。在圖1中，正極15的下表面以位于液面上的方式配置，但是只要正極15的一面與大氣接觸即可，其他的部分可以浸潰在液中。
[0083]S卩，正極15配置于氣液界面是指正極15的一部分與液相相接而一部分暴露在大氣中。需要說明的是，正極15未必為平板狀，例如，可以由實(shí)心或中空的筒狀、圓柱狀、長方體等形成，只要載置在正極15的下表面(劃設(shè)構(gòu)件上)即可，可以選擇其一部分向液面之上露出的結(jié)構(gòu)。
[0084]如此，在氣液界面配置正極15，因此能夠使正極15穩(wěn)定地暴露在空氣和液體中。由此，在正極15中，利用正極15周圍豐富存在的氧，能夠進(jìn)行氧、質(zhì)子、電子參與的還原反應(yīng)，能夠使反應(yīng)迅速地進(jìn)行。而且，不需要用于向正極15供給氧的曝氣而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置整體的小型化。
[0085]該正極15可以與負(fù)極14同樣地采用使用石墨、鉬、碳布、鉬載持碳、其他的金屬所形成的電極。需要說明的是，也可以使用后述的本發(fā)明的石墨烯電極。
[0086]在具備上述那樣的結(jié)構(gòu)的微生物發(fā)電裝置I中，向負(fù)極14取入的電子經(jīng)由具備電阻16a和導(dǎo)線16b的外部電路16而向正極15移動(dòng)。而且，向正極室12導(dǎo)入分子狀氧,在正極15上，與電子及通過了劃設(shè)構(gòu)件13的質(zhì)子結(jié)合，由此產(chǎn)生向水分子變化的電化學(xué)反應(yīng)(還原反應(yīng))。通過這一連串的反應(yīng)，在負(fù)極14及正極15之間進(jìn)行電子的移動(dòng)，產(chǎn)生電流。
[0087]需要說明的是，在上述微生物發(fā)電裝置I中，可以是將劃設(shè)構(gòu)件13作為高分子固體電解質(zhì)，并使質(zhì)子在該高分子固體電解質(zhì)中移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。這種情況下，無需將水系液體積存在正極室15內(nèi)。而且，正極15中的反應(yīng)并不局限于利用質(zhì)子和氧的上述的電化學(xué)反應(yīng)，只要是向電子受體交接電子的反應(yīng)即可，只要將在負(fù)極室11中生成的陽離子消耗即可，并未限定為上述的電化學(xué)反應(yīng)。而且，微生物只要至少存在于負(fù)極室11即可，正極室12中的反應(yīng)可以是不經(jīng)由微生物的化學(xué)反應(yīng)。而且，也可以設(shè)置用于對(duì)微生物發(fā)電裝置I的負(fù)極室11內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌的攪拌機(jī)構(gòu)。由此，氧化石墨烯或石墨烯的絮凝物通過生成的水流而向負(fù)極室11內(nèi)的大范圍移動(dòng)，能夠獲得存在于各部的微生物放出的電子，而且與負(fù)極14接觸的概率提高，因此能夠使獲得的電子的更多數(shù)向負(fù)極14傳遞。
[0088]接下來，對(duì)第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20進(jìn)行說明。需要說明的是，對(duì)于第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20的結(jié)構(gòu)中的與第一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置I的結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)成，標(biāo)注同一標(biāo)號(hào)而省略說明。
[0089]圖2是表示第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。圖2(a)是微生物發(fā)電裝置20的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，圖2(b)是將圖2(a)的II所示的部分放大表示的局部放大圖。
[0090]如圖2(a)所示，微生物發(fā)電裝置20與第一實(shí)施方式同樣地，在殼體2的下方側(cè)形成負(fù)極室11，在殼體2的上方側(cè)形成正極室12。
[0091]另外，在微生物發(fā)電裝置20的殼體側(cè)面上穿設(shè)有與外部連通的連通口 22a、22b。連通口 22a設(shè)置在殼體2的下方側(cè)并將負(fù)極室11與外部連通。連通口 22b設(shè)置在殼體2的上方側(cè)并將正極室12與外部連通。
[0092]連通口 22a成為從外部向負(fù)極室11內(nèi)供給包含有機(jī)物質(zhì)的水系液體(原水)的供給口，連接有從外部供給水系液體的未圖示的配管。從連通口 22a供給的原水從負(fù)極室11通過劃設(shè)構(gòu)件13，向正極室12流入并從連通口 22b向外部排出。
[0093]在負(fù)極室11內(nèi)，用于支承劃設(shè)構(gòu)件13的多個(gè)突起部17沿著負(fù)極室11內(nèi)壁的周向以規(guī)定間隔突出設(shè)置，劃設(shè)構(gòu)件13掛在該突起部17上。隔著劃設(shè)構(gòu)件13而在正極室側(cè)嵌入設(shè)置有具備沿著厚度方向貫通的多個(gè)貫通孔且以與殼體2的內(nèi)徑(即負(fù)極室內(nèi)徑)大致同徑地形成的圓板18。因此，即使液體在微生物發(fā)電裝置20的內(nèi)部從負(fù)極室11朝向正極室12流動(dòng)，劃設(shè)構(gòu)件13也由突起部17和圓板18卡留在殼體內(nèi)部的預(yù)先確定的高度(位置)。
[0094]正極室12還具備分隔板19。分隔板19將正極室12內(nèi)分隔成上部和下部，由以與殼體2的內(nèi)徑(即正極室內(nèi)徑)大致同徑形成的圓板構(gòu)件形成，在正極室12的內(nèi)部，固定在規(guī)定位置。在該分隔板19的外緣附近穿設(shè)有沿上下方向貫通的貫通孔19a。因此，從負(fù)極室11向正極室12流入的水系液體從正極室12的下部側(cè)通過貫通孔19a而向正極室12的上部側(cè)流入。
[0095]在分隔板19的上表面設(shè)置有曝氣裝置23的散氣部23c。曝氣裝置23具備:例如由氣泵、鼓風(fēng)機(jī)等構(gòu)成的曝氣單元23a ;對(duì)來自該曝氣單元23a的空氣進(jìn)行傳送的送氣管23b ;設(shè)置在送氣管23b的終端且具備將由送氣管23b傳送的空氣排出的多個(gè)開口的散氣部23c。從設(shè)置在外部的曝氣單元23a供給的空氣由從曝氣單元23a延伸設(shè)置至正極室12內(nèi)的管狀的送氣管23b向正極室12送出，在正極室12內(nèi)從形成在散氣部23c的上表面的開口排出。
[0096]由此，向積存在由分隔板19劃分的正極室12的上方部的水系液體供給分子狀氧，形成好氧性環(huán)境。因此，正極室12內(nèi)的好氧性微生物發(fā)生活化而促進(jìn)液中的有機(jī)物的好氧性分解。而且，通過分隔板19來妨礙向正極室12的下方側(cè)的空氣供給，因此能夠抑制負(fù)極室11的厭氧性環(huán)境的惡化。
[0097]圖2(b)是第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20的負(fù)極室11內(nèi)的II的部分的放大圖，是示意性地說明微生物發(fā)電裝置20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖。將氧化石墨烯還原而生成的石墨烯在附著有微生物(還原微生物3)的狀態(tài)下聚集，在水系液體中形成疏密的聚集結(jié)構(gòu)(絮凝物)。需要說明的是，在圖2(b)中，利用由G指示的黑色六邊形來圖示石墨烯。該聚集結(jié)構(gòu)由于介有還原微生物3，因此與僅由石墨烯形成的聚集結(jié)構(gòu)相比，成為疏密且體積大的結(jié)構(gòu)。在第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20中，通過調(diào)整氧化石墨烯的投入量(濃度)，在負(fù)極室11內(nèi)整體地形成石墨烯的絮凝物。因此，在室內(nèi)整體，以網(wǎng)絡(luò)狀形成導(dǎo)電性的通路(導(dǎo)通路)，能夠提高還原微生物3產(chǎn)生的電子的利用率(集電率)。在石墨烯的絮凝物存在空隙，水系液體流入上述空隙，因此能夠使基質(zhì)、微生物、石墨烯高效率地接觸，能夠提高可生產(chǎn)的電力。
[0098]如此，根據(jù)第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置20，向裝置內(nèi)能夠連續(xù)地供給有機(jī)物質(zhì)，能夠進(jìn)行持續(xù)的發(fā)電。而且，向裝置內(nèi)導(dǎo)入的原水經(jīng)由負(fù)極室11、正極室12而向裝置外排出，因此若原水使用廢水，則負(fù)極室11中能夠進(jìn)行液中的有機(jī)物質(zhì)的厭氧性分解，在正極室12中能夠進(jìn)行液中的有機(jī)物質(zhì)的好氧性分解。因而，能夠一邊進(jìn)行發(fā)電，一邊進(jìn)行廢水處理。
[0099]接下來，對(duì)第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置30進(jìn)行說明。需要說明的是，對(duì)于第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置30的結(jié)構(gòu)中的與第一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置I的結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)成，標(biāo)注同一標(biāo)號(hào)而省略說明。
[0100]圖3是表示第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置30的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的圖。微生物發(fā)電裝置30是能夠進(jìn)行廢水處理的裝置，具備處理槽31、導(dǎo)入槽35、沉淀槽36。處理槽31具備厭氧處理槽32、好氧處理槽33。厭氧處理槽32、好氧處理槽33、沉淀槽36由混凝土、玻璃、陶瓷等固形材料或金屬材料形成，作為更優(yōu)選的形態(tài)，這些槽作為分割成形體，適當(dāng)?shù)厥褂贸尚文＞咄ㄟ^預(yù)制方式將工場(chǎng)生產(chǎn)的單位體向各個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)搬入，而連結(jié)組裝。需要說明的是，在厭氧處理槽32設(shè)置負(fù)極而成為負(fù)極室，在好氧處理槽33設(shè)置正極而成為正極室。
[0101]厭氧處理槽32形成為上表面閉塞的箱狀，能夠積存有機(jī)性廢水。在厭氧處理槽32的殼體的上游側(cè)的側(cè)面貫通形成有用于從外部供給有機(jī)性廢水的供給口 32a。而且，在厭氧處理槽32設(shè)有用于對(duì)從供給口 32a供給的有機(jī)性廢水進(jìn)行攪拌的攪拌裝置39和負(fù)極
14。而且，在厭氧處理槽32的上表面設(shè)有用于向槽內(nèi)投入氧化石墨烯的未圖示的投入口。在圖3中，按照厭氧處理槽32的上側(cè)所示的箭頭方向投入氧化石墨烯，投入的氧化石墨烯由向槽內(nèi)供給的原水中繁殖的微生物(還原微生物3)還原。因此，在厭氧處理槽32的槽內(nèi)生成的石墨烯得以保持。而且，在厭氧處理槽32中未必需要攪拌，攪拌裝置39也可以不設(shè)置。這種情況下，石墨烯向底部堆積，因此負(fù)極14以與堆積的石墨烯集聚物相接的方式配置在底部附近。
[0102]好氧處理槽33與厭氧處理槽32同樣地，具備形成為上表面閉塞的箱狀且能夠積存液體的結(jié)構(gòu)。在好氧處理槽33內(nèi)配置曝氣裝置23的散氣部23c并設(shè)置正極15。需要說明的是，在本實(shí)施方式中，在散氣部23c的下表面形成開口，朝向下方側(cè)排出空氣。厭氧處理槽32與好氧處理槽33之間由隔壁34劃設(shè)，在隔壁34的上方形成有將厭氧處理槽32與好氧處理槽33連通的連通口 34a。在連通口 34a固定有劃設(shè)構(gòu)件13。因此，在厭氧處理槽32中進(jìn)行了有機(jī)物質(zhì)的厭氧性分解處理之后的處理水經(jīng)由劃設(shè)構(gòu)件13向正極室12流入。需要說明的是，在厭氧處理槽32中，在未設(shè)置攪拌裝置39時(shí)，石墨烯、在厭氧處理槽32產(chǎn)生的污泥的大部分蓄積于厭氧處理槽32的底部，在上層清液不含有所述固態(tài)物，因此可以不設(shè)置劃設(shè)構(gòu)件13。
[0103]在好氧處理槽33中，通過曝氣裝置23向液中供給氧而成為好氧性環(huán)境。因此，能夠良好地進(jìn)行液中的有機(jī)物質(zhì)的好氧性分解。而且，在本實(shí)施方式中，正極15浸潰于液中。雖然通過曝氣裝置23向液中供給空氣(分子狀氧)，但是向正極15表面供給的量與正極15暴露在大氣中時(shí)相比大幅減少。因此，在正極15消耗氧和質(zhì)子而生成水的一連串的電化學(xué)反應(yīng)速度下降。因而，在本實(shí)施方式中，向好氧處理槽33也導(dǎo)入石墨烯。
[0104]例如，在一般性的燃料電池中，正極處的電化學(xué)反應(yīng)是氧、質(zhì)子、電子參與的還原反應(yīng)，通常，為了提高反應(yīng)速度而大量地使用鉬等貴金屬催化劑。然而，在本微生物發(fā)電裝置30中，通過石墨烯的作用而能夠促進(jìn)上述還原反應(yīng)，因此也可以減少或不使用正極15所使用的昂貴的貴金屬催化劑的使用量。
[0105]另外，在本裝置30中，存在于好氧處理槽33的好氧微生物成為氧還原催化劑，從保持微生物的石墨烯接受正極15的電子，產(chǎn)生從散氣部23c供給的分子狀氧的還原。因此，不僅在正極15上，通過在正極形成電子通路網(wǎng)絡(luò)的好氧處理槽內(nèi)的石墨烯-好氧微生物復(fù)合體與分子狀氧高效率地接觸而能夠廣泛地進(jìn)行氧還原反應(yīng)。在正極室12內(nèi)的各處，通過介有石墨烯能夠促進(jìn)使用了質(zhì)子和電子的基于微生物的氧還原反應(yīng)，因此與僅在正極15表面的電化學(xué)反應(yīng)中進(jìn)行電力的生產(chǎn)的情況相比，能夠提高電力生產(chǎn)。而且，正極15作為使用了鉬作為氧還原催化劑的空氣極，可以設(shè)置在好氧處理槽的空氣-液界面。
[0106]需要說明的是，向好氧處理槽33導(dǎo)入的石墨烯可以在厭氧處理槽32生成，也可以在與厭氧處理槽32不同的反應(yīng)槽中使用微生物由氧化石墨烯生成(例如，使用后述的石墨烯制造裝置40生成)。
[0107]在好氧處理槽33的下游側(cè)的壁部形成用于從好氧處理槽33排出處理水的排出口33a。排出口 33a將與好氧處理槽33相鄰而形成的導(dǎo)入槽35和好氧處理槽33連通。導(dǎo)入槽35是將設(shè)置在好氧處理槽33的下游側(cè)的沉淀槽36與好氧處理槽33連接的流路，通過設(shè)置在排出口 33a的相反側(cè)的下游側(cè)的開口 35a而與沉淀槽36連接。由此，經(jīng)由好氧處理槽33的處理后的處理水向沉淀槽36流入。需要說明的是，在本實(shí)施方式中，導(dǎo)入槽35以未積存來自好氧處理槽33的處理水的方式設(shè)計(jì)，但也可以將其取代，以在沉淀槽36的跟前能夠暫時(shí)性地積存處理水的方式形成，并且設(shè)置聚集劑添加機(jī)構(gòu)和攪拌機(jī)構(gòu)，來促進(jìn)污泥絮凝物的形成。
[0108]沉淀槽36具備形成為倒圓錐狀的污泥沉淀部36a，在該污泥沉淀部36a的最下部配置有污泥抽出管37。含有石墨烯的污泥從好氧處理槽33與處理水一起向沉淀槽36流入，流入的污泥沉淀而堆積于污泥沉淀部36a。堆積的污泥從污泥抽出管37被抽出。污泥抽出管37在下游側(cè)向2方向分支，分支的一方與送回管線38a連接，另一方與排出管線38b連接。從污泥抽出管37抽出的污泥的一部分由未圖示的泵在送回管線38a內(nèi)壓力輸送，從送回管線38a的終端向好氧處理槽33投入。向排出管線38b流入的污泥被向系統(tǒng)外取出。
[0109]在沉淀槽36的上方形成有在下游側(cè)與外部連通的排出口 36b，積存于沉淀槽36的處理水的上層清液經(jīng)由排出口 36b而向裝置外部排出。如此，根據(jù)第三實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置30，能夠一邊進(jìn)行廢水處理一邊進(jìn)行發(fā)電。
[0110]而且，若利用微生物發(fā)電裝置30 —邊從微生物獲得電子一邊進(jìn)行廢水處理，則能夠抑制微生物的增殖的過剩，其結(jié)果是，能夠減少污泥的產(chǎn)生量。
[0111]在此，本發(fā)明的微生物發(fā)電裝置及利用微生物的電力生產(chǎn)方法只要在進(jìn)行厭氧處理的厭氧處理槽投入氧化石墨烯并配置負(fù)極，在進(jìn)行好氧處理的處理槽配置正極而通過外部電路將兩極電連接即可。由此，可以直接利用現(xiàn)有的廢水處理設(shè)施的結(jié)構(gòu)，不需要大規(guī)模的設(shè)備投資，能夠容易且低成本地實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)。
[0112]圖4是并列設(shè)置于微生物發(fā)電裝置30的石墨烯制造裝置的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖。微生物發(fā)電裝置30由一家庭用至能夠進(jìn)行大規(guī)模廢水處理的容量形成。因此，應(yīng)保持于厭氧處理槽32的石墨烯的量也對(duì)應(yīng)于處理槽的容量而成為大量。當(dāng)在厭氧處理槽32中直接生成石墨烯時(shí)，氧化石墨烯由還原微生物3向石墨烯還原之前存在時(shí)滯，因此在發(fā)電開始之前(能得到所希望的電力之前)可能會(huì)花費(fèi)時(shí)間。因此，為了能夠?qū)⒈匾康氖┫騾捬跆幚聿?2適當(dāng)投入，預(yù)先在微生物發(fā)電裝置30的裝置外并列設(shè)置生成石墨烯的石墨烯制造裝置40。
[0113]如圖4所示，石墨烯制造裝置40具備形成為有底的圓筒狀的反應(yīng)槽41和覆設(shè)于反應(yīng)槽41的蓋體42。反應(yīng)槽41在其內(nèi)部能夠積存液體。在反應(yīng)槽41的內(nèi)部設(shè)有2臺(tái)攪拌裝置45。攪拌裝置54具有由固定在反應(yīng)槽41的側(cè)壁內(nèi)表面上的底座軸支承為能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸和在該旋轉(zhuǎn)軸的外周以規(guī)定間隔安裝的多片大致矩形板狀的攪拌葉片。攪拌葉片利用長度方向的中央部而固定在旋轉(zhuǎn)軸的外周，從旋轉(zhuǎn)軸的軸朝向外側(cè)延伸出。因此，伴隨著旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而對(duì)積存于反應(yīng)槽41的液體進(jìn)行攪拌。2臺(tái)攪拌裝置54配置在各自的攪拌葉片相互不接觸的位置。
[0114]在蓋體42的左方側(cè)端部附近設(shè)有投入料斗43，該投入料斗43具有大致倒梯形錐狀的投入口和從投入口的底面朝向反應(yīng)槽41的內(nèi)部延伸出的導(dǎo)入管。在投入料斗43的投入口上表面設(shè)有以能夠開閉的方式設(shè)置的開閉蓋43a。該投入料斗43將作為基質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)或氧化石墨烯、水、微生物的載持體即泥漿、土、廢水等向反應(yīng)槽41內(nèi)引導(dǎo)。
[0115]另外，在蓋體42的右側(cè)端部附近設(shè)有用于將積存在反應(yīng)槽41內(nèi)的氣體向外部排出的開閉閥44。由此，能夠?qū)⒎e存在反應(yīng)槽41內(nèi)的氣體適當(dāng)排出。
[0116]為了避免空氣經(jīng)由投入料斗43的外周面、開閉閥44的外周面與供它們貫入的蓋體42的內(nèi)周面之間的間隙向反應(yīng)槽41內(nèi)侵入，在蓋體42中的供它們貫入的貫入部位使用O形環(huán)或膩?zhàn)拥让芊獠牧蟻泶_保氣密性。
[0117]在反應(yīng)槽41的下方設(shè)有用于將反應(yīng)槽41內(nèi)的內(nèi)容物向外部排出的排出管46。在排出管46內(nèi)具備以能夠開閉的方式形成的閥，通過作業(yè)者的操作能夠打開。反應(yīng)槽41內(nèi)積存有將槽內(nèi)大致充滿的大量的液體(水系液體)，生成的石墨烯成為附著有微生物的絮凝物狀。因此，通過從排出口 46進(jìn)行抽水，能夠容易地向外部取出。
[0118]在此，在向微生物發(fā)電裝置30投入石墨烯時(shí)，使用向微生物發(fā)電裝置30導(dǎo)入的原水(廢水)在反應(yīng)槽41中生成石墨烯。因此，能夠集聚與利用微生物發(fā)電裝置30處理的原水適應(yīng)的最優(yōu)的微生物群集，通過上述微生物能夠大量生成石墨烯。因此，將利用本裝置40制造的石墨烯向厭氧處理槽32及好氧處理槽33導(dǎo)入，能夠順暢地進(jìn)行廢水處理，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更良好的發(fā)電特性。[0119]此外，也可以設(shè)置對(duì)反應(yīng)槽41的溫度進(jìn)行測(cè)定的溫度傳感器、對(duì)反應(yīng)槽41內(nèi)的氧濃度進(jìn)行測(cè)定的氧濃度傳感器、對(duì)反應(yīng)槽41內(nèi)的有機(jī)廢棄物的PH進(jìn)行測(cè)定的PH傳感器等各種傳感器，來管理反應(yīng)槽41內(nèi)的狀態(tài)。
[0120]需要說明的是，在第一、第二實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置1、20中，也可以使用該石墨烯制造裝置40等，在微生物發(fā)電裝置1、20外通過微生物還原來制造石墨烯，將預(yù)先得到的石墨烯向負(fù)極室11投入。
[0121]如以上說明那樣，在上述的微生物發(fā)電裝置1、20、30中，例如在廢水、泥漿、活性污泥中棲息的微生物中，將氧化石墨烯還原的微生物(還原微生物3)被集聚。因此，能夠確保微生物的多樣性，即便燃料使用包含多種多樣的有機(jī)物質(zhì)的廢水，通過多樣的微生物也能夠?qū)Ω鞣N有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解，能夠穩(wěn)定地進(jìn)行發(fā)電。
[0122]接下來，使用圖5，說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置用電極及其制造方法。
[0123]圖5是說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置用電極的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)及其制造方法的圖。
[0124]如圖5所示，具體而言，微生物發(fā)電裝置50具備負(fù)極室51、正極52、陽離子透過膜(質(zhì)子傳導(dǎo)膜53)。
[0125]負(fù)極室51具有具備方形的外形的殼體，成為正極52側(cè)的背面保留端部周緣而開口。在開口部，將開口部周緣作為粘接余量而張?jiān)O(shè)質(zhì)子傳導(dǎo)膜53。在負(fù)極室51的殼體上表面貫通形成有用于導(dǎo)入原料的導(dǎo)入口 57、用于排出氣體或剩余的液體的排出口 58、用于引出導(dǎo)線56的引出口 59。
[0126]另外，在負(fù)極室51內(nèi)吊設(shè)有成為石墨烯電極54的支承體的導(dǎo)電體。在本實(shí)施方式中，導(dǎo)電體使用碳布54a。在碳布54a的上方側(cè)端部連接并固定有導(dǎo)線56。導(dǎo)線56從引出口 59向負(fù)極室51之外延伸出。
[0127]正極52是載持有鉬的碳紙電極或鉬電極，被加工成矩形形狀，在上方側(cè)端部連接有導(dǎo)線56。該正極52構(gòu)成作為所謂空氣陰極。正極52隔著質(zhì)子傳導(dǎo)膜53而與負(fù)極室53
對(duì)置配置。
[0128]在石墨烯電極的制造中，首先，從負(fù)極室51的開口將固定有導(dǎo)線56的碳布54a向負(fù)極室51插入，在從引出口 59引出導(dǎo)線之后，固定成吊設(shè)有碳布54a的狀態(tài)。然后，以覆蓋開口的方式定位質(zhì)子傳導(dǎo)膜53，粘接于負(fù)極室51背面。為了避免來自粘接面的漏液而優(yōu)選使用密封劑來固定質(zhì)子傳導(dǎo)膜53。然后，與質(zhì)子傳導(dǎo)膜53緊密接觸而將正極52固定。由此組成微生物發(fā)電裝置50的殼體(參照?qǐng)D5(a))。
[0129]然后，經(jīng)由導(dǎo)入口 57，向負(fù)極室51投入泥漿、污泥、土、水域堆積物等的規(guī)定量，接著，將含有氧化石墨烯和有機(jī)物質(zhì)的水溶液投入，負(fù)極室51內(nèi)由液體充滿。由此，在負(fù)極室51內(nèi)成為厭氧氣氛。由于微生物棲息在投入的泥漿、污泥、土、水域堆積物等中，因此以氧化石墨烯為電子受體的微生物集聚，伴隨于此，氧化石墨烯被還原成石墨烯(參照?qǐng)D5(b))。需要說明的是，在圖5 (b)、圖5 (c)中，示意性地利用由GO指示的白六邊形來圖示氧化石墨烯，利用由G指示的黑六邊形來圖示石墨烯。而且，預(yù)先使用另一容器或裝置(例如，上述的石墨烯制造裝置40)，將泥漿、污泥、土、水域堆積物等的規(guī)定量、氧化石墨烯、與包含有機(jī)物質(zhì)的水溶液的混合物設(shè)置于厭氧氣氛，以生成的石墨烯為微生物攝取源，取代上述的泥漿、污泥、土、水域堆積物等的規(guī)定量而向負(fù)極室51投入。
[0130]氧化石墨烯為親水性，因此良好地分散在水中，但是石墨烯為斥水性，因此聚集，并附著于碳布而集聚。而且，在石墨烯生成中參與的微生物(還原微生物3)附著于產(chǎn)生的石墨烯上，直接層疊于碳布，成為一體而生成石墨烯電極54 (參照?qǐng)D5 (c))。由此，能夠得到微生物發(fā)電裝置用電極(石墨烯電極54)。石墨烯是與石墨或金屬相比優(yōu)異的電子傳導(dǎo)材料，集聚有石墨烯的本電極成為優(yōu)異的電極。而且，在制作的石墨烯電極54上載持的還原微生物3是進(jìn)行細(xì)胞外電子傳遞的微生物。即，本石墨烯電極54在載持有作為取出電子的催化劑發(fā)揮功能的微生物的狀態(tài)下形成電極，與僅通過導(dǎo)電體形成的電極相比成為電流生產(chǎn)效率優(yōu)異的電極。
[0131]另外，微生物發(fā)電裝置50通過將與正極52連接的導(dǎo)線56和從負(fù)極室51延伸出的導(dǎo)線56電連接而使電流流動(dòng)，因此能夠直接作為電池使用。需要說明的是，若從導(dǎo)入口57向負(fù)極室51追加投入基質(zhì)，則能夠持續(xù)地進(jìn)行發(fā)電。追加投入的基質(zhì)可以使用與石墨烯生成時(shí)使用的材料不同的材料，例如，為了提高電力可以使用比醋酸的氧化還原電位低，即電能回收率良好的葡萄糖等。
[0132]而且，通過調(diào)整投入的氧化石墨烯的量，能夠在負(fù)極室51內(nèi)整體上形成石墨烯電極54。換言之負(fù)極室51整體作為電極發(fā)揮功能。在此，形成的石墨烯電極54成為還原微生物3附著而形成的疏密的聚集結(jié)構(gòu)。因此，能夠使水系液體流入電極結(jié)構(gòu)中的空隙，能夠使基質(zhì)、還原微生物3、石墨稀聞效率地接觸,能夠提聞可生廣的電力。
[0133]而且，生成的石墨烯自發(fā)地集聚而形成結(jié)構(gòu)體，因此在負(fù)極室51內(nèi)的規(guī)定的場(chǎng)所能夠形成石墨烯電極54。因此,在I個(gè)容器內(nèi)，若支承體(碳布54a等)從正極52分離規(guī)定距離以上來制造石墨烯電極54，則不會(huì)出現(xiàn)因生成的石墨烯而兩者導(dǎo)通的情況。因此，也可以形成為不需要質(zhì)子傳導(dǎo)膜53的電池結(jié)構(gòu)。作為上述容器，例如后述的實(shí)施例那樣可以使用T字管等。
[0134]需要說明的是，上述實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法是以直接使用制作出的電極而能夠發(fā)電的方式在微生物發(fā)電裝置50中進(jìn)行制造，但也可以取代與此，在另一容器中制造電極。這種情況下，該容器只要是能夠積存液體的有底的容器即可，向容器中投入泥漿、污泥、土、水域堆積物等的規(guī)定量、氧化石墨烯、包含醋酸等基質(zhì)的水溶液。若以上述狀態(tài)靜置，則生成的石墨烯在容器內(nèi)聚合，以與容器內(nèi)形狀對(duì)應(yīng)的形態(tài)進(jìn)行一體化。因此，若向容器內(nèi)預(yù)先導(dǎo)入作為導(dǎo)線的材料，則制作出埋入有導(dǎo)線的石墨烯電極。需要說明的是，作為導(dǎo)線的材料，例示出例如鉬線圈、鉬線、銅線等金屬材料。由此，能夠以單體得到制作的石墨烯電極，從容器取出，能夠使用作為其他的微生物燃料電池的電極。
[0135]由上述的制造方法制作出的電極如上述那樣作為微生物發(fā)電裝置用的電極比較優(yōu)異，但其用途沒有限定為該微生物發(fā)電裝置的電極，也可以作為其他的裝置中的通常的電極來使用。
[0136]需要說明的是，利用微生物的電力生產(chǎn)方法的發(fā)明的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于通過上述的實(shí)施方式I至實(shí)施方式3的各微生物發(fā)電裝置1、20、30生產(chǎn)電力的方法。在上述的微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的實(shí)施方式中，與微生物一起附著、集聚于石墨片54a表面上的石墨烯的形態(tài)相當(dāng)于微生物發(fā)電裝置用電極的發(fā)明及其制造方法的發(fā)明的結(jié)構(gòu)記載的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。而且，在上述的微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的實(shí)施方式中，將泥漿、污泥、土等的規(guī)定量向負(fù)極室51投入，接著，投入含有氧化石墨烯和作為基質(zhì)的醋酸的水溶液而使液體充滿在負(fù)極室51內(nèi)，在厭氧氣氛中集聚以氧化石墨烯為電子受體的微生物的工序相當(dāng)于微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的發(fā)明的結(jié)構(gòu)記載的培養(yǎng)工序。
[0137]接下來，對(duì)上述的微生物發(fā)電裝置的應(yīng)用例(實(shí)施方式的變形例)進(jìn)行說明。圖6是表示作為所謂土壤電池構(gòu)成的狀態(tài)的圖。如該圖所示，調(diào)整不同的兩種土壤A、B，對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分而層疊。下層的土壤A是向含有有機(jī)物質(zhì)的土、泥漿、污泥、水域堆積物等投入了氧化石墨烯的土壤，上層的土壤B由未投入氧化石墨烯的土、泥漿、污泥、水域堆積物等構(gòu)成。通過在土壤A的上方層疊土壤B，將土壤A從外氣隔斷，能夠使其存在于厭氧性環(huán)境下，通過向該土壤A培養(yǎng)或供給厭氧性微生物，在該土壤A中將有機(jī)物質(zhì)代謝而生成電子。另一方面，土壤B是與外氣接觸的狀態(tài)且能夠設(shè)為好氧性環(huán)境。并且，向兩土壤A、B供給充分的量的水等液體(未圖示)，下層的土壤A中的微生物的作為代謝產(chǎn)物而產(chǎn)生的質(zhì)子能夠向上層的土壤B移動(dòng)。而且，在土壤A中埋設(shè)負(fù)極14，在土壤B的表面設(shè)置正極15，經(jīng)由外部電路16將兩者連接，由此形成發(fā)電裝置(土壤電池)。這種情況下，正極15為了得到氧的供給，以至少一部分從土壤B的表面露出的方式設(shè)置。
[0138]由于為上述那樣的構(gòu)成，因此在下層的土壤A的范圍內(nèi)形成負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11，在上層的土壤B的范圍內(nèi)形成正極區(qū)域(正極室)12。在此，上述應(yīng)用例在負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11與正極區(qū)域(正極室)12的交界未設(shè)置劃設(shè)構(gòu)件。這正如已述那樣，是示出在負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11含有較多的固態(tài)物時(shí)可以不設(shè)置劃設(shè)構(gòu)件的例子，在該應(yīng)用例中，由于抑制了從負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11向正極區(qū)域(正極室)12的石墨烯及微生物的流入，因此省略了劃設(shè)構(gòu)件。而且，表示該應(yīng)用例的圖不是向特定的容器內(nèi)投入土壤A、B的構(gòu)成，示出在屋外的地表面構(gòu)成的狀態(tài)，這樣，通過使用屋外地表面能夠在廣大的面積中構(gòu)成土壤電池。需要說明的是，當(dāng)然通過同樣的結(jié)構(gòu)也能夠制作出使用了有底的容器的土壤電池。
[0139]接下來，對(duì)另一應(yīng)用例(進(jìn)一步的變形例)進(jìn)行說明。圖7是表示作為所謂植物電池(例如使用了稻田的稻田電池等)而構(gòu)成的例子的圖。二層的土壤A、B與所述土壤電池的例子相同，向下層的土壤A投入氧化石墨烯，向上層的土壤B未投入氧化石墨烯。因此，通過利用上層的土壤B將下層的土壤A覆蓋，能夠?qū)⑾聦拥耐寥繟設(shè)置在厭氧性環(huán)境下，從而將該土壤A的范圍設(shè)為負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11。即，在下層的土壤中，能夠進(jìn)行基于厭氧性微生物的有機(jī)物質(zhì)的代謝。而且，充分的量的水等液體浸透于兩土壤A、B，該液體被供給成將上層的土壤B覆蓋的程度。通過該水等液體，由水等液體形成的層(以下，稱為液層)C向上層的土壤B的上方流入，通過該液層C和上層的土壤B形成正極區(qū)域(正極室)12。由此，能夠使通過上述代謝而生成的質(zhì)子向液層C移動(dòng)。需要說明的是，雖然上層的土壤B與外氣未相接，但是通過液層C的溶存氧也能夠形成為好氧性環(huán)境下。在好氧的條件不足的情況下，可以使液層C曝氣。在上述結(jié)構(gòu)中，在下層的土壤A埋設(shè)負(fù)極14a、14b，設(shè)置浮起在水C的層的表面上的正極15a、15b，經(jīng)由外部電路16而將兩極連接，由此能夠形成發(fā)電裝置(植物電池)。
[0140]然而，在該應(yīng)用例中使用的植物D優(yōu)選為水生植物，優(yōu)選比較旺盛地進(jìn)行光合成的稻田等。即，為了使由負(fù)極區(qū)域(負(fù)極室)11產(chǎn)生的質(zhì)子向正極區(qū)域(正極室)移動(dòng)，需要供給充分的水等液體，若不是水性植物，則可能無法繁殖。而且，通過植物D的繁殖，通過植物D的光合成而生成的有機(jī)化合物從根向土壤內(nèi)放出，因此不用對(duì)土壤A追加供給有機(jī)物質(zhì)就能得到能夠進(jìn)行微生物的代謝的環(huán)境。即，能夠發(fā)揮長期間的作為電池的功能。需要說明的是，植物D的根成長且向下方伸長，因此只要在土壤B內(nèi)植設(shè)植物D即可，但是通過以使根到達(dá)下層的土壤A的方式植設(shè)，能夠提前實(shí)現(xiàn)基于植物D的有機(jī)物質(zhì)的供給。
[0141]需要說明的是,負(fù)極14a、14b及正極15a、15b分別設(shè)置多個(gè),但這是為了避免成為植物D的根及莖?葉等成長時(shí)的妨礙，在如圖示那樣使用多個(gè)電極時(shí)，只要將同極彼此串聯(lián)連接即可。在該應(yīng)用例中，將比較小的2個(gè)電極串聯(lián)連接，但這些電極的大小及個(gè)數(shù)根據(jù)栽植的植物的種類?個(gè)數(shù)等的狀態(tài)而能夠適當(dāng)決定。而且，在該應(yīng)用例中，使用屋外的地表面(例如利用水田)，能夠構(gòu)筑廣大的面積，但可以使用有底的容器。而且，土壤A、B可以使用水田土壤。
[0142]以上，基于實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不受上述的實(shí)施方式的任何限定，可以容易推測(cè)的是在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行各種改良變更。
[0143]例如，在本實(shí)施方式的微生物發(fā)電裝置1、20、30中，負(fù)極室11 (厭氧處理槽32)、正極室12(好氧處理槽33)各設(shè)置I個(gè)，但是負(fù)極室的個(gè)數(shù)、正極室的個(gè)數(shù)并不局限于此，可以設(shè)置多個(gè)。這種情況下，為了保持正極室12的好氧性環(huán)境，在曝氣裝置23內(nèi)以向各正極室12分別供給空氣的方式構(gòu)成裝置。而且，上述的微生物發(fā)電裝置1、20、30的配置于各室或各槽的電極分別各I個(gè)，但也可以將其取代，設(shè)置多個(gè)電極。而且，說明了上述的微生物發(fā)電裝置1、20在正極室12內(nèi)不含有石墨烯的構(gòu)成，但也可以將其取代而向正極室12導(dǎo)入石墨烯。在上述情況下，微生物發(fā)電裝置20相當(dāng)于微生物發(fā)電裝置的發(fā)明的第五結(jié)構(gòu)。
[0144]實(shí)施例
[0145]以下，列舉實(shí)施例更詳細(xì)地進(jìn)行說明。需要說明的是，本發(fā)明并未限定為上述的實(shí)施例的情況不言自明。
[0146](實(shí)施例1)
[0147]氧化石墨烯通過V.C.Tung、M.J.Allen、Y.Yang and R.B.Kaner 的 2009 年發(fā)行的Nature Nanotechnology4卷25-29頁記載的方法來制作,調(diào)整為4g_dry *L_10將其作為氧化石墨烯存儲(chǔ)溶液。
[0148]將氧化石墨烯還原的氧化石墨烯還原微生物(以下簡(jiǎn)稱為GO還原微生物。)的發(fā)電試驗(yàn)的微生物接種源使用了水田土壤。向本土壤添加蒸餾水進(jìn)行漿料狀化。該漿料狀土壤通過2.0mm直徑的篩孔，以成為水分含量35%的方式調(diào)制，保持溢水狀態(tài)下，由乙烯塑料袋密閉，保存為22°C。
[0149]基于GO還原微生物的發(fā)電試驗(yàn)所使用的AGO-FS培養(yǎng)基如下述那樣調(diào)制。AGO-FS培養(yǎng)基的組成如表1所不。
[0150][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種微生物發(fā)電裝置，具備負(fù)極部、正極部及外部電路，所述負(fù)極部具有包含有機(jī)性物質(zhì)的液體和負(fù)極并在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，所述正極部具有正極，所述外部電路將所述正極與所述負(fù)極電連接，所述微生物發(fā)電裝置經(jīng)由所述外部電路從所述負(fù)極部向所述正極部移送電子而進(jìn)行發(fā)電，其特征在于， 所述負(fù)極部具備石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物發(fā)電裝置，其特征在于， 所述石墨烯是在液體中利用微生物將氧化石墨烯還原而生成的石墨烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微生物發(fā)電裝置，其特征在于， 所述石墨烯是利用所述負(fù)極部內(nèi)的微生物將導(dǎo)入到所述負(fù)極部的氧化石墨烯還原而生成的石墨烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的微生物發(fā)電裝置，其特征在于， 所述石墨烯在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下形成疏密的聚集結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的微生物發(fā)電裝置，其特征在于，具有: 供給口，供給包含有機(jī)性物質(zhì)的液體 '及 排出口，供從所述供給口供給的液體在經(jīng)過所述負(fù)極部及所述正極部之后排出， 所述正極部具備形成為能夠積存被供給的液體并向所述正極供給氧的氧供給單元，且所述正極部被導(dǎo)入有石墨烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微生物發(fā)電裝置，其特征在于，具備: 積存槽，積存從所述正極部排出的液體； 放出口，是在所述積存槽的壁上方設(shè)置的開口部，且將積存于所述積存槽的液體的上層清液放出；及 送回單元，將沉淀于所述積存槽的污泥向所述正極部送回。
7.—種微生物發(fā)電裝置用電極，是用于微生物發(fā)電裝置的電極，所述微生物發(fā)電裝置將微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解時(shí)生成的電子向外部取出而進(jìn)行發(fā)電，所述微生物發(fā)電裝置用電極的特征在于， 具有在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下石墨烯集聚而成的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。
8.—種微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法，所述微生物發(fā)電裝置用電極用于微生物發(fā)電裝置，所述微生物發(fā)電裝置將微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解時(shí)生成的電子向外部取出而進(jìn)行發(fā)電，所述微生物發(fā)電裝置用電極的制造方法的特征在于， 包括將包含有機(jī)性物質(zhì)和氧化石墨烯的液體在微生物存在下保持為厭氧氣氛的培養(yǎng)工序， 在所述培養(yǎng)工序中，通過微生物將氧化石墨烯還原成石墨烯，并且生成的石墨烯在附著有將氧化石墨烯還原的微生物的狀態(tài)下通過自我聚集而一體化來形成導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)體。
9.一種利用微生物的電力生產(chǎn)方法，在厭氧氣氛下通過微生物對(duì)有機(jī)性物質(zhì)進(jìn)行生物降解，并且通過外部電路將伴隨著生物降解產(chǎn)生的電子從負(fù)極向正極送出而進(jìn)行發(fā)電，所述利用微生物的電力生產(chǎn)方法的特征在于， 在所述負(fù)極與微生物之間介有石墨烯，將微生物產(chǎn)生的電子向所述負(fù)極傳遞。
10.一種微生物的選擇性培養(yǎng)方法，是在權(quán)利要求9所述的電力生產(chǎn)方法中使用的微生物的培養(yǎng)方法，其特征在于，使 用包含有機(jī)性物質(zhì)及氫作為電子供體并包含氧化石墨烯作為電子受體的瓊脂糖固體培養(yǎng)基，以環(huán)境中的試樣為微生物接種源，通過所述瓊脂糖固體培養(yǎng)基對(duì)附著于該微生物接種源的微生物進(jìn)行培養(yǎng)，以將氧化石墨烯還原而生成的黑色石墨烯為指標(biāo)，選擇性地分離將氧化石墨烯還原的微生物。
【文檔編號(hào)】H01M4/88GK103931037SQ201280056661
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月16日
【發(fā)明者】吉田奈央子, 平石明, 阿達(dá)爾什·桑德赫, 巖佐精二, 岡田浩, 手老龍吾, 長尾祐二 申請(qǐng)人:國立大學(xué)法人豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)