[发明专利]微生物燃料电池及其阳极、以及在处理污水中的用途

说明书

技术领域

本发明涉及环境、材料、能源领域，具体地，本发明涉及微生物燃料电池及其阳极、以及在处理污水中的用途。

背景技术

能源和资源短缺是当今社会面临的严峻问题。因此，污水处理从耗能型向资源回收型的转变是未来污水处理的发展方向。微生物燃料电池是一种利用微生物降解水中有机物，并原位将其化学能转化为电能的生物电化学技术。以微生物燃料电池为代表的生物电化学系统污水处理，凭借其低能耗等优势，成为能源领域以及污水处理领域的研究热点。目前的微生物燃料电池普遍存在输出功率较低、出水水质不高等问题，这些问题限制了其在实际生产中的应用。

因而，目前的微生物燃料电池及其阳极，仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实的认识和发现而做出的

发明人发现，目前的微生物燃料电池(MFC)普遍存在污水处理效果较差、产电效率较低的问题。发明人经过深入研究发现，这主要是由于MFC的阳极性能有待提高而导致的。阳极作为产电微生物附着的载体，对微生物燃料电池的产电性能有至关重要的影响。这主要是由于，MFC的工作原理是有机物在阳极产电微生物的作用下氧化分解并产生电子和质子，质子通过质子交换膜传递至阴极室，在阴极催化剂的作用下还原氧气生成水；而电子通过外电路从阳极转移至阴极被氧气利用，形成完整的电路系统，从而将有机物中的化学能转化为电能。MFC的阳极是有机物催化氧化的主要场所，其表面附着的产电微生物的量是决定MFC污水处理效果和产电性能的关键。然而，由于阳极产生的质子还需要传质至阴极室，因此，MFC的阳极不仅需要具有较为可观的产电微生物负载量，同时还需要具有一定的导电功能以及传质功能。然而，目前的MFC中的阳极，较难同时保证微生物负载量以及质子传质和电子传递的效果，进而导致污水处理效果和产电效率不尽理想。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于微生物燃料电池的阳极。根据本发明的实施例，该阳极包括：导电滤膜；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层中形成有多个水流通路；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述导电滤膜以及所述多孔层的至少之一上。由此，所述阳极具有比表面积大、电极电阻低、生物相容性好等优点，可有效地提升产电微生物的附着量，同时具有较好的质子传质以及电子传递性能。并且，该阳极可以利用导电滤膜的截留作用，结合过滤运行模式，进而能够加强传质，提升出水水质，提高产电性能。

根据本发明的实施例，所述阳极的所述导电滤膜包括碳布、碳毡、碳纤维膜、碳纳米管膜、石墨烯膜、不锈钢网以及钛网的至少之一。形成导电滤膜的材料来源广泛，因此，可以降低生产成本。

根据本发明的实施例，所述的阳极的所述多孔层是由导电材料形成的。由此，可以进一步提高该阳极的导电性能。

根据本发明的实施例，形成所述阳极的所述多孔层的材料包括碳纤维、颗粒活性炭、石墨烯以及金属泡沫的至少之一。上述材料来源广泛，进而可以降低生产成本，并且上述材料的比表面积大，能有效提高产电微生物的附着量，进而提升出水水质，提高产电性能。

根据本发明的实施例，该阳极包括：导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由多个缠绕有碳纤维的钛丝形成的；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。由此，所述阳极的比表面积大，孔隙率高，电极阻抗低，并且物理性质稳定，生物相容性好，进而提升了产电微生物的附着量，提升了出水水质，提高了产电性能。

根据本发明的实施例，该阳极包括：导电滤膜，所述导电滤膜是由碳布形成的；以及多孔层，所述多孔层设置在所述导电滤膜的一侧，所述多孔层是由活性炭颗粒形成的；以及产电微生物，所述产电微生物附着在所述多孔层上。由此所述阳极的比表面积大，孔隙率高，电极阻抗低，并且物理性质稳定，生物相容性好，进而提升了产电微生物的附着量，提升了出水水质，提高了产电性能。

在本发明的另一方面，本发明提出一种微生物燃料电池。根据本发明的实施例，该微生物燃料电池包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；阳极，所述阳极设置在所述反应空间中，所述阳极为前面所述的；以及空气阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。由此，所述微生物燃料电池具有前面所述微生物燃料电池的阳极所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。