[发明专利]一种微生物电化学装置及利用秸秆产电的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物电化学装置，还涉及一种利用微生物电化学装置降解秸秆产电的方法。

背景技术

农作物秸秆是世界上数量最多的一种农业生产副产品，是农作物成熟收获后剩下的作物残留物。由于农作物秸秆资源的利用涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、水土保持、环境安全以及农村能源的有效利用问题，也涉及到农村居民的生活需求，引起世界各国的普遍关注，并越来越成为发展可持续经济的重要方面。我国是农业大国，也是秸秆资源最丰富的国家之一，我国农作物秸秆产量虽然很大，但是由于在许多地区人们仍采用传统焚烧的方法处置农作物秸秆，利用率较低，既浪费资源又污染环境。为了缓解农村饲料、肥料、燃料和工业原料的紧张状况，保护农村生态环境，农作物秸秆的综合利用就成为促进农业可持续协调发展的迫切要求。

秸秆还田通常指的是农作物收获后将秸秆粉碎或整株返还到田里中的一种秸秆利用方法。此方法简单、方便、快捷、便于普及。秸秆直接还田的方式多种多样，常用的有高茬还田、覆盖免耕还田、粉碎翻压还田等。秸秆还田后，伴随着秸秆的腐解，土壤中的有机质以及氮、磷、钾和微量元素的含量也逐渐增加，土壤中物质的生物循环加速，土壤理化性质也得到了有效的改善。研究表明，秸秆还田可改善土壤团粒结构，提高保水透气能力，提高地温，增加土壤有机质含量，防止土壤板结，促进增产增收。秸秆还田有利于农业可持续发展。但是，将秸秆大量直接还田，腐解期长，会引起作物与秸秆腐烂过程中的自然存在的微生物争水争肥，对作物生长不利。因此如何来加速秸秆的降解速率，对于秸秆还田技术的推广至关重要。

微生物电化学工艺是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。不仅可从易生化降解的有机物中获取电能，还可从一些难降解的有机物中获取电能。其作用机理为：有机物在阳极区附近被产电微生物氧化分解，产生的电子到阳极，再经过外电路到达阴极，质子通过水溶液传递到阴极，并与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应，此过程中外电路会形成电流。现行的技术研究还多关注于其产电能力，其他方面的研究还有待进一步的探索。如果能利用微生物电化学技术来加速降解秸秆，并产生电能，将达到一举两得的目的。本发明的目的就是为秸秆还田提供一种新的方法。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种利用微生物电化学装置，结构简单且成本较低的秸秆降解利用方法。

为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下：

一种微生物电化学装置（SMFC），主要由阳极、阴极、隔膜、阴极室、气孔、电阻、导线组成，其中，阴极与阴极室相连，隔膜位于阴极室和阳极之间，阳极、隔膜、阴极三合一构成膜电极，导线将阳极、阴极以及电阻之间串联成一个回路；所述阴极室和膜电极均埋入土壤层内，土壤层与空气之间设有水层；所述阳极与土壤层内的土壤接触，阴极的一面富含催化剂且该面与所述隔膜相对，所述阴极室与高出水层的且与空气直接接触的气孔相连通。

所述阴极室为聚氯乙烯、或者硬度为60～95M的塑料材料制成。

所述阳极为碳毡或者碳布制成；阴极为防水处理富含催化剂的碳布或碳毡制成。

所述电极的隔膜材料为阳离子交换膜。

所述电阻值为10-1000欧姆。

所述富含催化剂的阴极所负载的催化剂为碳纳米管，其负载量为1-5 mg·cm^-2。

一般的微生物电化学装置阴极不负载催化剂，与其相比，反应速率可以提高1-2倍。

所述富含催化剂的阴极制作方法为：

a)将阴极材料浸渍在质量比为5-10%的HNO₃溶液中，60-90℃处理2-4h后取出，用去离子水洗至中性；

b)将碳纳米管和水按质量比1:500 -1：2000进行超声混合，得到电解液；

c)将阴极材料放置到电解槽中，将前述配好的电解液加到电解槽中，然后在电极两端加上20-40V的直流电压，电沉积10-60 min，电沉积结束后，把阴极材料取出，在60-90℃烘干；

d)将烘干后的电极背面涂上5%-15%的聚四氟乙烯作为防水层。

上述富含催化剂的阴极制作方法中，a)步骤主要的目的，通过将材料放到硝酸中，使得材料的比表面积增大，利于催化剂的吸附。C)步骤的主要目的，通过控制电压和沉积时间，以控制电极上负载催化剂的效果和负载量。经过处理后的阴极其催化负载量为1-5 mg·cm^-2。

为提高负载量，所述步骤C）中直流电压为32V。