[发明专利]一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明属于环保和新能源领域，具体地指一种人工湿地水生植物电极的微生物燃料电池装置。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，以下简称MFC）遵循生物电化学作用原理，通过微生物将污水中污染物降解，并直接将污染物中的化学能转化为电能。该技术为废弃物处理和可再生能源生产提供了一条优良途径，在废水处理、固体废弃物处置、污染环境修复、环境传感器应用等方面具有十分广阔的发展前景（杨永刚，孙国萍，许玫英. 2010. 微生物燃料电池在环境污染治理中的应用进展，微生物学报. 50(7): 847-852；黄丽萍，成少安. 2010. 微生物燃料电池生物质能利用现状与展望. 生物工程学报，26(7): 942-949）。

目前公知的微生物燃料电池装置，依据构型主要分为单室式和双室式两大类。其中，双室式微生物燃料电池装置主要由阳极槽（Anode）、阴极槽（Cathode）和选择性透过膜（Selective membrane）三部分构成（孔令才，周顺桂，赵华章等. 厌氧折流板式微生物燃料电池堆影响因素研究. 环境工程学报，2010，4(1): 21-26），工作原理是阳极微生物通过厌氧呼吸或发酵作用分解有机物，释放出电子，然后传递到阴极，并在生物或非生物催化作用下完成电子受体（如氧气、硝酸盐等）的还原反应，并源源不断地产生电流。

目前公知的微生物燃料电池装置的阳极槽主要有两类，一类是主要由产电微生物混合液、阳极电极等组成，另一类是由高等植物、阳极电解液、阳极电极等组成。

目前公知的微生物燃料电池装置的阴极槽主要有两类，一类是主要由阴极电解液、阴极电极组成，另一类是由低等植物、阴极电解液、阴极电极等组成。

公知的微生物燃料电池装置的选择性透过膜主要是质子交换膜、反渗透膜或离子交换膜等半渗透性分离膜。

目前公知的由高等植物构成阳极槽（半电池）的MFC，由Strik所在课题组2008年首次报道（Strik, D.P.B.T.B., Hamelers, H.V.M., Snel, J.F.H., Buisman, C.J.N., 2008. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research,32(9): 870?876）。该课题组先后研究了四种不同类型的大型水生植物为电池阳极构建的MFC的产电特性、植物生长以及微生物群落，在仅仅2~3年之内，最大产电功率就由2008年的33mW/m²提高到2010年的222mW/m²，增长了6~7倍。该课题组研究认为：大型水生植物—微生物燃料电池最大产电功率理论上还应该可以增长上10倍之多，极有可能成为一种可持续产生绿色电能的实用技术。其初衷是为了更高效的利用太阳能，基本方法是通过构建异养细菌—植物原位微生物燃料电池，可以在不收割植物的前提下，结合光合作用，利用太阳能，源源不断的产生生物电流清洁能源。

目前公知的由低等植物构成阴极槽（半电池）的MFC，由Feng Yujie等研究（Xin Wang, Yujie Feng, Jia Liu, He Lee, Chao Li, Nan Li, Nanqi Ren. 2010. Sequestration of CO₂ discharged from anode by algal cathode in microbial carbon capture cells (MCCs). Biosensors and Bioelectronics, 2010(25): 2639–2643)。该MFC以低等水生植物小型藻类如蓝藻、绿藻等为生物阴极，其主要目的是通过藻类光合作用向好氧型生物阴极提供氧气或者还原捕获CO₂。

由此可知，目前利用水生植物构建的微生物燃料电池装置，一类是将高等植物根区作为电池的阳极槽系统，目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料投加问题；另一类是直接将低等水生植物藻类（如蓝藻、绿藻）构建生物阴极型微生物燃料电池装置，其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池装置而还原CO₂。由于现有微生物燃料电池需要用到昂贵的选择性透过膜和铂、金等贵金属电极材料，所以成本较高。

发明内容