[发明专利]一种应用微生物燃料电池由废水产生电能及升压存储的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水处理工艺领域，具体涉及生物电化学系统应用领域。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能的装置。其原理是，MFC阳极的厌氧活性微生物可以分解有机物释放出电子，电子通过适宜的电子传递介体或纳米导线等被传递到阳极上，然后通过外电路传递到阴极形成电流，在阴极与电子受体相结合，两极间还有一些离子的平衡移动使整个过程形成一个完整的回路。

能源短缺与环境污染是当今人类发展所面临的两个重大危机和挑战，MFC正是针对这两大问题的良方。环境污染中的大多数的废水中含有大量的可生物利用的有机物，可以作为MFC的底物。MFC可以利用这些有机污染物产生电能，同时实现对污水的处理，既处理了污染又产生了能源。

然而，目前针对MFC的大多数研究都是利用它来处理污染物，MFC可以产生电能，但其产生的电能相当微弱，而且电压也较低，难以被直接利用。例如，以氧气为电子受体、乙酸盐作为阳极底物时，理论上MFC的开路电压为1.1V，最大功率密度为17Wm^-2和1600kWm^-3，而目前能达到的最佳值为0.83V、6.86Wm^-2、1.55kWm^-3。如何将MFC产生的这部分电能收集利用一直是困扰研究者的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于建立一种利用微生物燃料电池由废水产生电能，并且将产生电能的升压存储的方法，实现同时处理有机废水和产生可以被直接利用的电能。

本发明方法包括利用废水产生电能、电能的升压和电能的存储三部分，可以分别由微生物燃料电池、DC/DC升压转化器和锂电池三部分装置来实现。所述微生物燃料电池可以为单室或双室，两极间距小于1cm，以保证较低的内阻；阳极室中接种有厌氧活性产电微生物，当向其中引入有机废水时，活性产电微生物能够氧化其中的有机物产生电子，电子被传递到阳极上，再经过外电路传递到阴极与特定的电子受体发生反应。所述的外电路中连接有DC/DC升压转化器。所述的DC/DC升压转化器能够利用直流超低电压，将其升举到可充入锂电的电压水平。DC/DC升压转化器的输出端连接到一个锂电池上，升举后的电压可以实现对锂电池的充电。所述的锂电池为可反复利用的易于充电的锂电池。 

附图说明

图1为本发明实施例的微生物燃料电池的结构示意图。

图2为本发明实施例的微生物燃料电池的连续运行图（外阻15欧姆）。

图3为本发明实施例的DC/DC升压转化器示意图。

图4为本发明实施例的充电过程中微生物燃料电池随时间的输出电压变化。

图5为本发明实施例的充电过程中锂电池随时间的电压变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面以实施案例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1. 微生物燃料电池

（1）构造：

本实例采用单室空气阴极MFC，反应器为有机玻璃制作，如图1所示。阳极室内部尺寸为7cm*15cm*2cm，其中设置有碳毡制作的阳极1，其尺寸为7cm*15cm*1cm，用钛丝连接固定并引出阳极室，加入阳极后阳极室的有效体积为150ml。在阳极室的一侧设有一个5cm*7cm的开口，阴极2设置于这一开口处，其尺寸为6cm*8cm，正好覆盖于开口上，四周密封，用钛丝连接阴极并导出；阴极为以碳布4制作的空气扩散阴极，面向阳极室内一侧附有0.5mgcm^-2铂催化剂3，面向空气一侧附有四层空气扩散层5（PTFE涂层）。阳极室设有可开闭的添加和去除废水的进出水口6。

两电极端连接有数据采集器（Adam-4017，研华科技，中国）每隔30S记录电压值，并将数据传输存储至PC中。

（2）阳极液和活性微生物

阳极液采用模拟废水，主要成分为：葡萄糖（1g/L），NH₄Cl（0.62g/L），NaH₂PO₄·H₂O（4.90g/L），NaH₂PO₄（9.15g/L），KCl（0.26g/L）以及少量微量元素和维生素，使用前曝氮气20分钟。