一種光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池系統(tǒng)，尤其涉及一種微生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]能量和水資源的短缺，是全球面臨的兩個(gè)重要挑戰(zhàn)，對(duì)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。應(yīng)用廣泛的城鎮(zhèn)污水處理工藝包括傳統(tǒng)活性污泥工藝及變形，如厭氧-缺氧-好氧法(A2O)工藝、氧化溝工藝、序批式活性污泥法(SBR)工藝等。這些工藝對(duì)污染物的去除效果好，但運(yùn)行能耗高、剩余污泥產(chǎn)量大。實(shí)際上，污水中蘊(yùn)含了巨大的能量，Ikg化學(xué)需氧量(COD)完全氧化為水和0)2理論上可以產(chǎn)生3.86kff.h的能量，如果生活污水以400 mg/L COD計(jì)，則所含能量為1.544kff *h/m3,是我國(guó)污水處理廠(chǎng)處理lm3污水平均電耗的5.3倍。近幾年微生物燃料電池(MFC)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，也實(shí)現(xiàn)了從廢水中回收電能，但是距離實(shí)際的工業(yè)化應(yīng)用還有很大距離。其一，微生物燃料電池的輸出功率密度低、產(chǎn)生電壓低、電能難以回收利用；其二，微生物燃料電池降解的污染物質(zhì)主要是無(wú)生物毒性的有機(jī)物，對(duì)持久性有機(jī)物的降解效果差。這大大的限制了微生物燃料電池在污染物降解方面的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池包括反應(yīng)容器，所述反應(yīng)容器被第一分隔腔和第二分隔腔分隔為光陽(yáng)極室、微生物陽(yáng)極室和陰極室，微生物陽(yáng)極室位于光陽(yáng)極室和陰極室之間；所述微生物陽(yáng)極室內(nèi)為厭氧環(huán)境，所述陰極室為好氧環(huán)境，所述光陽(yáng)極室內(nèi)置有光催化陽(yáng)極，所述微生物陽(yáng)極室內(nèi)置有用于生長(zhǎng)產(chǎn)電微生物的生物陽(yáng)極，所述陰極室內(nèi)置有生物陰極；光陽(yáng)極室設(shè)有光陽(yáng)極室進(jìn)水口和光陽(yáng)極室出水口，微生物陽(yáng)極室設(shè)有微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口和微生物陽(yáng)極室出水口，陰極室設(shè)有陰極室進(jìn)水口、陰極室出水口和陰極室出氣口；所述光陽(yáng)極室出水口通過(guò)所述第一分隔腔與微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口連通而使光陽(yáng)極室內(nèi)的水流能夠進(jìn)入微生物陽(yáng)極室；所述微生物陽(yáng)極室出水口通過(guò)所述第二分隔腔與陰極室進(jìn)水口連通而使微生物陽(yáng)極室內(nèi)的水流能夠進(jìn)入陰極室；所述光催化陽(yáng)極和所述生物陰極之間串聯(lián)有第一外電阻，所述生物陽(yáng)極和所述生物陰極之間串聯(lián)有第二外電阻。
[0005]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述光陽(yáng)極室的側(cè)壁上設(shè)有石英玻璃窗口。
[0006]進(jìn)一步地，本發(fā)明在反應(yīng)容器的外部設(shè)有光源，所述光源發(fā)射的光能夠通過(guò)所述石英玻璃窗口進(jìn)入所述光陽(yáng)極室內(nèi)以使光陽(yáng)極室內(nèi)的光催化陽(yáng)極進(jìn)行光催化反應(yīng)。
[0007]進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括為所述陰極室提供氧氣的供氧裝置。
[0008]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述供氧裝置包括相互連通的曝氣頭和空氣栗，其中，所述曝氣頭置于陰極室進(jìn)水口處或置于陰極室內(nèi)，所述空氣栗置于所述反應(yīng)容器的外部。
[0009]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述光陽(yáng)極室進(jìn)水口低于光陽(yáng)極室出水口，所述微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口低于光陽(yáng)極室出水口，所述微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口低于微生物陽(yáng)極室出水口，所述陰極室進(jìn)水口低于微生物陽(yáng)極室出水口，所述陰極室出水口高于陰極室進(jìn)水口。
[0010]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述陰極室的頂部呈敞口狀，該敞口為所述陰極室出氣口。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:(I)將光電催化技術(shù)與微生物燃料電池技術(shù)耦合在一起，即采用“光催化+厭氧+好氧”技術(shù)，利用光催化無(wú)選擇性降解污染物的特性，先將具有生物毒性的物質(zhì)降解為毒性低的小分子，然后進(jìn)入微生物陽(yáng)極室進(jìn)行厭氧生物降解，再進(jìn)入陰極室進(jìn)行好氧生物降解，強(qiáng)化難降解污染物的去除；(2)光催化燃料電池的連接可以有效提高微生物燃料電池的陰極電位，進(jìn)而提高微生物燃料電池的產(chǎn)能；(3)采用將具有電化學(xué)活性的生物膜作為陰極催化劑，在生長(zhǎng)代謝的同時(shí)催化陰極反應(yīng)，具有穩(wěn)定、可再生的特點(diǎn)，避免了貴金屬催化劑的使用，降低了裝置的成本；(4)利用光陽(yáng)極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁與微生物陽(yáng)極室一側(cè)側(cè)壁之間以及微生物陽(yáng)極室另一側(cè)側(cè)壁與陰極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁之間的空間作為各個(gè)室之間的物理阻隔，能夠有效保障微生物陽(yáng)極室的生物反應(yīng)不受陽(yáng)極室光催化反應(yīng)的影響，有效阻斷氧氣從陰極室向微生物陽(yáng)極室的擴(kuò)散，保障陽(yáng)極室的絕對(duì)厭氧環(huán)境；同時(shí)通過(guò)廢水從光陽(yáng)極室向微生物陽(yáng)極室，再?gòu)奈⑸镪?yáng)極室向陰極室的溢流而達(dá)到傳遞質(zhì)子的目的，因此利用反應(yīng)容器本身的流態(tài)從而不需要離子選擇性透過(guò)膜，降低了反應(yīng)容器成本；(5)能以廢水為燃料生產(chǎn)電能，實(shí)現(xiàn)廢水處理和產(chǎn)電的同步進(jìn)行，有效回收廢水中所蘊(yùn)含的能量，降低廢水處理的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中:1-光陽(yáng)極室進(jìn)水口，2-光陽(yáng)極室，3-第一分隔腔，4-微生物陽(yáng)極室，5-第二分隔腔，6-陰極室，7-陰極室出水口，8-光催化陽(yáng)極，9-生物陽(yáng)極，10-生物陰極，11-電阻一，12-電阻二，13-曝氣頭，14-空氣栗，15-光陽(yáng)極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁，16-生物陽(yáng)極室一側(cè)側(cè)壁，17-生物陽(yáng)極室另一側(cè)側(cè)壁，18-陰極室的內(nèi)側(cè)側(cè)壁，19-光陽(yáng)極室出水口，20-生物陽(yáng)極室進(jìn)水口，21-生物陽(yáng)極室出水口，22-陰極室進(jìn)水口，23-陰極室出氣口，24-反應(yīng)容器，25-石英玻璃窗口，26-光源。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池包括反應(yīng)容器24。反應(yīng)容器24被第一分隔腔3和第二分隔腔5分隔為光陽(yáng)極室2、微生物陽(yáng)極室4和陰極室6，微生物陽(yáng)極室4位于光陽(yáng)極室2和陰極室6之間?？稍谖⑸镪?yáng)極室4內(nèi)接種有產(chǎn)電微生物的厭氧污泥，在陰極室6內(nèi)接種好氧污泥，從而使得微生物陽(yáng)極室4內(nèi)為厭氧環(huán)境，陰極室6為好氧環(huán)境。光催化陽(yáng)極8置于光陽(yáng)極室2內(nèi)，用于生長(zhǎng)產(chǎn)電微生物的生物陽(yáng)極9置于微生物陽(yáng)極室3內(nèi)，生物陰極10置于陰極室6內(nèi)。光陽(yáng)極室2設(shè)有光陽(yáng)極室進(jìn)水口 I和光陽(yáng)極室出水口 19，微生物陽(yáng)極室4設(shè)有微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20和微生物陽(yáng)極室出水口 21，陰極室6設(shè)有陰極室進(jìn)水口 22、陰極室出水口 7和陰極室出氣口 23。光陽(yáng)極室進(jìn)水口 I低于光陽(yáng)極室出水口 19 ;微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20低于光陽(yáng)極室出水口 19，光陽(yáng)極室出水口 19與微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20通過(guò)第一分隔腔3連通，從而使光陽(yáng)極室2內(nèi)廢水依次經(jīng)由光陽(yáng)極室出水口 19、第一分隔腔3、微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20流入微生物陽(yáng)極室4。微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20低于微生物陽(yáng)極室出水口 21，陰極室進(jìn)水口 22低于微生物陽(yáng)極室出水口 21。微生物陽(yáng)極室出水口 21與陰極室進(jìn)水口 22通過(guò)第二分隔腔5連通，從而使微生物陽(yáng)極室4內(nèi)流出的廢水依次經(jīng)由微生物陽(yáng)極室出水口 21、第二分隔腔5、陰極室進(jìn)水口22流入陰極室6。陰極室出水口 7高于陰極室進(jìn)水口 22。光催化陽(yáng)極8和生物陰極10之間串聯(lián)有第一外電阻11，生物陽(yáng)極9和生物陰極10之間串聯(lián)有第二外電阻12。
[0015]本發(fā)明在光陽(yáng)極室2的側(cè)壁上密封鑲嵌有石英玻璃窗口 25。在反應(yīng)容器24的外部設(shè)有光源26，光源26正對(duì)石英玻璃窗口 25，使得光源26發(fā)射的光能夠通過(guò)石英玻璃窗口 25進(jìn)入光陽(yáng)極室2，從而光陽(yáng)極室2內(nèi)的光催化陽(yáng)極8在光源26發(fā)射的光的作用下發(fā)生光催化反應(yīng)。
[0016]本發(fā)明可通過(guò)供氧裝置為陰極室6提供氧氣。作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，供氧裝置可由相互連通的曝氣頭13和空氣栗14組成。其中，曝氣頭13置于陰極室進(jìn)水口 22處或置于陰極室6內(nèi)，空氣栗14置于反應(yīng)容器24外，曝氣頭13通過(guò)穿過(guò)反應(yīng)容器底部的導(dǎo)氣管與空氣栗14連通。
[0017]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，如圖1所示，光陽(yáng)極室進(jìn)水口 I設(shè)于光陽(yáng)極室2的外側(cè)側(cè)壁的底端，光陽(yáng)極室出水口 19設(shè)于光陽(yáng)極室2的內(nèi)側(cè)側(cè)壁的頂端；微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20設(shè)于微生物陽(yáng)極室4的側(cè)壁的底端，微生物陽(yáng)極室出水口 21設(shè)于微生物陽(yáng)極室4的側(cè)壁的頂端；陰極室進(jìn)水口 22設(shè)于陰極室6的內(nèi)側(cè)側(cè)壁的底端，陰極室出水口 7設(shè)于陰極室6的外側(cè)側(cè)壁的頂端。此外，優(yōu)選地將陰極室6的頂部設(shè)為敞口狀，該敞口為陰極室出氣口 23。
[0018]本發(fā)明光催化和生物復(fù)合陽(yáng)極與生物陰極耦合燃料電池在工作時(shí)，先將廢水由光陽(yáng)極室進(jìn)水口 I引入到光陽(yáng)極室2內(nèi)，經(jīng)光陽(yáng)極室2內(nèi)的光催化陽(yáng)極8的光催化反應(yīng)后通過(guò)光陽(yáng)極室出水口 19流入第一分隔腔3中，然后經(jīng)微生物陽(yáng)極室進(jìn)水口 20流入至微生物陽(yáng)極室4內(nèi)，在微生物陽(yáng)極室4內(nèi)作厭氧處理后通過(guò)微生物陽(yáng)極室出水口 21流入第二分隔腔5中，然后經(jīng)陰極室進(jìn)水口 22流入至陰極室6內(nèi)，最后在陰極室6內(nèi)作好氧處理后通過(guò)陰極室出水口 7流出反應(yīng)容器24。
[0019]可在微生物陽(yáng)極室4內(nèi)接種有產(chǎn)電微生物的厭氧污泥，在陰極室6內(nèi)接種好氧污泥。來(lái)自外部的廢水經(jīng)過(guò)光陽(yáng)極室2時(shí)，光催化陽(yáng)極8在光源26照射作用下，可將廢