一种包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统

摘要

一种包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统，涉及一种微生物电化学系统。目的是解决微生物电化学系统中空气阴极无法获得充足的氧气，无法承受水压，空气阴极变形，恶劣环境影响微生物燃料电池的正常运行的问题。该系统由平板密闭空气阴极模块和阳极构成；阳极平行设置于平板密闭空气阴极模块的一侧或两侧；或者由圆柱密闭空气阴极模块和管状阳极构成；管状阳极套设于圆柱密闭空气阴极模块的外部。本发明能够获得充足的氧气供给从而获得更高的产电性能，解决了微生物燃料电池系统中的水压问题和复氧问题，空气阴极为完全浸没运行，避免了大气环境影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物电化学系统。

背景技术

随着经济的快速发展，大量的污染物进入到环境水体中，造成了严重的水环境污染问题。我国是污水排放大国，且排放总量还在不断攀升，据2014年公布的2013年全国环境统计公报的统计数据显示，我国污(废)水年排放量已超过695.4亿吨，其中化学需氧量含有有机污染物的污水的排放量为2352.7万吨。面对严峻的水环境形势，国家不断加大治理力度，制定了更为严格的排放和减排标准，但随之带来的水处理能耗及成本不断上升，使得本以属于高能耗的水处理行业面临新的挑战。

然而，废水其实是一种优质的能源和资源，废水中所蕴含的潜能和化学能是处理污水能耗的近10倍。目前，全球每日产生的污水潜能相当于1亿吨标准燃油的能量，如能实现废水污染物去除、同步资源化、能源化发展，可为社会节约10％的电能消耗。因此，污水能源化自供给系统的开发逐渐受到全世界范围内的广泛关注和重视。从目前的国际发展趋势来看，污水处理厂的功能正在从单纯的污染物削减，转变为资源、能源工厂，同时，相关的政策、标准、技术、实践等也正在进行着广泛而深刻的变革，以污水处理过程新概念新工艺为核心的“提效改造”已经势在必行成为重中之重。

生物电化学系统，即微生物燃料电池技术，是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，因其具有产生清洁能源电能、高效降解有机污染物等诸多优点，在能源、环境及废水处理领域受到了广泛的关注。同时在水处理领域，该技术彻底改变了水处理的模式，从根本上解决了剩余污泥这一国际难题，属于水处理领域的颠覆性技术并受到高度重视。

在微生物燃料电池系统中，空气阴极由于具有更高的电流密度和能实现更紧凑的堆栈形式被广泛应用。在空气阴极微生物燃料电池的系统中，阳极微生物从废水中的有机或无机物质中获取电子，并将电子经过阳极极板和外电路传递到阴极催化层。从阴极扩散层进入的氧气作为电子受体在催化层发生氧还原反应。阴极的氧还原速率一般认为是微生物燃料电池系统的限速步骤。在实际应用系统中，单位体积的空间内能安装的空气阴极的面积被认为直接影响电池系统最终的水处理效率和产电效率。

其中空气阴极的承压能力和富氧速率是该技术实际应用的挑战之一。空气阴极微生物电化学系统中，阴极需要分割气、水两相并需要在较高的水压下承压工作；并且为保证微生物电化学系统的体积电流和功率密度，空气阴极需要尽量减少间距从而增大微生物电化学系统中阴极的填充面积。因此这种要求下，相邻的空气阴极可能因为间距过小无法获得充足的氧气。为提高阴极的比表面积，密集堆栈的组合形式被研究者广泛采用。密集堆栈的组合形式即为在系统中构建有多个模块，而各模块之间紧密毗邻并减小间距以提高空间的利用效率。密集堆栈的电池系统可以获得更高的功率密度输出，但在实际应用中仍然面临着各项挑战。在面向应用的系统中。在此条件下，空气阴极需要承受最高可达相当于一米或数米深度的水压作用。而在此作用下空气阴极将不可避免的发生变形并因此影响阴极的性能。以此同时，各模块之间狭小的间距也成为从空气中获得氧气的障碍。相反，如果各模块之间采用较大的毗邻阴极间距则需要以牺牲电池系统中阴极比表面积和电池系统的体积功率为代价。同时污水处理构筑物中恶劣的运行环境和降温降水沙尘等周围环境变化也对直接暴露在大气环境中的空气阴极的运行造成不利影响。截至目前为止针对这些技术难题，尚无在微生物燃料电池系统中获得解决的报道。并且空气阴极暴露在大气环境中还会使空气阴极表面潮湿、淋水、积尘、老化或附着污染物，影响微生物燃料电池的正常运行。

发明内容

本发明为了解决现有密集堆栈的组合形式的微生物电化学系统中，为了实现增大微生物电化学系统中空气阴极的填充面积而缩小了系统中模块之间的间距，进而导致的空气阴极无法获得充足的氧气的问题，以及现有的空气阴极无法承受水压，进而导致空气阴极变形的问题，恶劣环境影响微生物燃料电池的正常运行的问题，提出了包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统。

本发明包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统，该系统由平板密闭空气阴极模块和阳极构成；阳极平行设置于平板密闭空气阴极模块的一侧或两侧；

所述平板密闭空气阴极模块由至少一个进气管、至少一个出气管、支撑板框、一个片状空气阴极、一个导流网和盖板构成；进气管和出气管分别设置在支撑板框的上边框外表面和下边框外表面，并且进气管和出气管分别与支撑板框内部连通；盖板、支撑板框、支撑板框和片状空气阴极依次平行设置，并且盖板、支撑板框、支撑板框和片状空气阴极之间边缘处通过弹性密封垫密封；

所述盖板的材质具体为绝缘金属板、PE、PC、PP或PVC；

或平板密闭空气阴极模块由至少一个进气管、至少一个出气管、支撑板框、两个片状空气阴极和两个导流网构成；进气管和出气管分别设置在支撑板框的上边框外表面和下边框外表面，并且进气管和出气管分别与支撑板框内部连通；其中一个片状空气阴极、其中一个导流网、支撑板框、另一个片状空气阴极和另一个导流网依次平行设置；

所述片状空气阴极、导流网和支撑板框之间边缘处通过弹性密封垫密封；所述弹性密封垫的材质为天然橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟化橡胶、硅酮密封胶或、硅胶密封胶；

所述支撑板框的形状为长方形、正方形或梯形；

所述支撑板框的边框厚度为0.5～10cm，宽度为0.1～10cm；

所述导流网的材质为工程塑料或金属；

所述片状空气阴极为金属基阴极或碳纤维布基阴极；所述金属基阴极为多孔状的金属材质的阴极或网状的金属材质的阴极；

所述阳极为平板阳极、平板多孔阳极或碳刷组；

所述平板阳极的材质为导电碳基材料或导电耐腐蚀的金属基材料；

所述平板多孔阳极的材质为多孔的导电碳基材料或多孔的导电耐腐蚀的金属基材料；

所述导电碳基材料为碳纤维布、碳毡或活性碳；

所述金属基材料的为钨、钛或不锈钢；

所述碳刷组为多个平行设置的碳刷构成的平面碳刷组；

其中，弹性密封垫的作用是保证盖板、支撑板框、支撑板框和片状空气阴极之间良好贴合，进而实现空气阴极模块的密封；

其中，盖板的设置目的是保持污水不会进入板框主体，盖板的材质为耐污水腐蚀的绝缘材质；

其中，支撑板框的形状根据适合实际浸没运行的污水构筑物截面形状确定；支撑板框的边框厚度应满足贴合后的密封，支撑板框的边框宽度设置应满足气体流通的空间的需求；支撑板框的作用是分隔相邻的阴极防止短路、调节阴极间距以及在平板密闭空气阴极模块内起到基本的支撑作用；

其中，平板密闭空气阴极模块要具有较好的防水能力和较好密封性，不会在污水之中发生渗漏以至于污水大量渗入阴极模块的气体腔室之中；平板密闭空气阴极模块中的进气管的气体来源为曝气泵，进气管和出气管能够完成平板密闭空气阴极模块内部的气体更新并维持氧气浓度，出气管处于模块底部，在排出气体的同时也能够排出偶然渗漏的少量污水。在运行过程中，平板密闭空气阴极模块能够适应不同深度的构筑物；在确定阴极模块的安装深度后，通过调节通向该模块进气管的气压使模块内部的气体压力和模块外部的液体压力始终处于平衡或接近平衡的状态，确保了平板密闭空气阴极模块承受水压能力；

其中，导流网的厚度与支撑板框的宽度相近，在片状空气阴极和支撑板框之间设置导流网的目的是为片状空气阴极提供内部支持，避免在浸没运行后片状空气阴极发生形变；使平板密闭空气阴极模块内部的气体均匀扩散，以及防止两侧阴极接触；

其中，片状空气阴极的设置目的是分隔支撑板框和污水，避免污水进入支撑板框内部，以及催化氧还原反应；

本发明包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统，该系统还可以由圆柱密闭空气阴极模块和管状阳极构成；管状阳极套设于圆柱密闭空气阴极模块的外部，并且圆柱密闭空气阴极模块和管状阳极的轴线重合设置；

所述圆柱密闭空气阴极模块由管状板框、阴极管箍、管状空气阴极、至少一个上端进气管、至少一个下端出气管和管壁支撑条构成；

所述管状板框的管壁为镂空状，管状板框的两端设置有密封盖板，上端进气管和下端出气管分别垂直于管状板框的两端设置的密封盖板设置，上端进气管和下端出气管分别与管状板框内部连通；管状板框内部径向设置有数个管壁支撑条；管状空气阴极套设在管状板框的圆柱表面，阴极管箍套设在管状空气阴极的两端；

所述管状空气阴极和管状板框的圆柱表面之间边缘处通过弹性密封垫密封；所述弹性密封垫的材质为天然橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟化橡胶、硅酮密封胶或、硅胶密封胶；

所述管状空气阴极为金属基阴极或碳纤维布基阴极；所述金属基阴极为多孔状的金属材质的阴极或网状的金属材质的阴极；

所述管状阳极为管状导电碳基材料、管状导电耐腐蚀的金属基材料、管状多孔的导电碳基材料、管状多孔的导电耐腐蚀的金属基材料或管状碳刷组；

所述导电碳基材料为碳纤维布、碳毡或活性碳；

所述金属基材料的为钨、钛或不锈钢；

所述管状碳刷组为多个平行间隔设置的碳刷合围构成的管状碳刷组；

其中，密封盖板的设置目的是保持污水不会进入板框主体；

其中，管状空气阴极的设置目的是分隔管状板框和污水，避免污水进入管状板框内部，以及催化氧还原反应；

其中，管状板框的形状根据适合实际浸没运行的污水构筑物截面形状确定；管状板框的边框厚度应满足贴合后的密封，管状板框的边框宽度设置应满足气体流通的空间的需求；管状板框和管壁支撑条的作用是分隔相邻的阴极防止短路、调节阴极间距以及在圆柱密闭空气阴极模块内起到基本的支撑作用；

其中，圆柱密闭空气阴极模块要具有较好的防水能力和较好密封性，不会在污水之中发生渗漏以至于污水大量渗入阴极模块的气体腔室之中；圆柱密闭空气阴极模块中的上端进气管的气体来源为曝气泵，上端进气管和下端出气管能够完成圆柱密闭空气阴极模块内部的气体更新并维持氧气浓度，下端出气管处于模块底部，在排出气体的同时也能够排出偶然渗漏的少量污水。在运行过程中，圆柱密闭空气阴极模块能够适应不同深度的构筑物；在确定阴极模块的安装深度后，通过调节通向该模块上端进气管的气压使模块内部的气体压力和模块外部的液体压力始终处于平衡或接近平衡的状态，确保了圆柱密闭空气阴极模块承受水压能力；

其中，弹性密封垫的作用是保证管状空气阴极和管状板框之间良好贴合，进而实现空气阴极模块的密封；

其中，管状板框内部径向设置有数个管壁支撑条在强化整个管状板框的稳定性的同时还能保证管状板框内部的气体流通；

本发明具备以下有益效果；

本发明针对空气阴极微生物燃料电池系统在实际污水处理环境中面临的水压以及大尺度阴极表面氧气获取的问题，开发了包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统。该系统将毗邻的空气阴极做成密闭式的阴极模块，通过调节进气管的进气速率以及进气管的压力使闭式的阴极模块内部形成空气薄层，空气薄层的气压与阴极模块外部的水压平衡后，使阴极始终处于气水两侧平衡的压力之下，并且通过控制空气薄层与外界的气体交换使阴极能够获得充足的氧气供给。这种可流动的承压空气薄层还能够为阴极表面均匀的提供氧气，能够提高阴极表面氧气的分压从而获得更高的产电性能。因此，该系统成功解决了微生物燃料电池系统中的水压问题，并在维持高阴极比表面积的基础上解决了复氧问题，设置的密闭的阴极模块使该系统能够适用于各种实际深度的运行。同时，本发明空气阴极为完全浸没运行，避免了空气阴极暴露在大气环境中导致空气阴极表面潮湿、淋水、积尘、老化或附着污染物，影响微生物燃料电池的正常运行的发生。

附图说明：

图1为本发明微生物电化学系统结构示意图，阳极2平行设置于平板密闭空气阴极模块1两侧，阳极2为平板阳极；

图2为本发明微生物电化学系统结构示意图，阳极2平行设置于平板密闭空气阴极模块1两侧，阳极2为平板多孔阳极；

图3为本发明微生物电化学系统结构示意图，阳极2平行设置于平板密闭空气阴极模块1两侧，阳极2为碳刷组；

图4为设置有一个片状空气阴极14、一个导流网15和盖板16的平板密闭空气阴极模块1结构示意图，；

图5为设置有两个片状空气阴极14和两个导流网15的平板密闭空气阴极模块1结构示意图；

图6为平板密闭空气阴极模块1中形状为长方形的支撑板框13的结构示意图；

图7为圆柱密闭空气阴极模块3的结构示意图；

图8为圆柱密闭空气阴极模块3中管状板框31的结构示意图；

图9为本发明微生物电化学系统结构示意图，由圆柱密闭空气阴极模块3和管状阳极4构成，管状阳极4为管状导电碳基材料；

图10为本发明微生物电化学系统结构示意图，由圆柱密闭空气阴极模块3和管状阳极4构成；管状阳极4为管状多孔的导电碳基材料；

图11为本发明微生物电化学系统结构示意图，由圆柱密闭空气阴极模块3和管状阳极4构成；管状阳极4为管状碳刷组。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，本实施方式包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统由平板密闭空气阴极模块1和阳极2构成；阳极2平行设置于平板密闭空气阴极模块1的一侧或两侧；

所述平板密闭空气阴极模块1由至少一个进气管11、至少一个出气管12、支撑板框13、一个片状空气阴极14、一个导流网15和盖板16构成；进气管11和出气管12分别设置在支撑板框13的上边框外表面和下边框外表面，并且进气管11和出气管12分别与支撑板框13内部连通；盖板16、支撑板框13、支撑板框13和片状空气阴极14依次平行设置，并且盖板16、支撑板框13、支撑板框13和片状空气阴极14之间边缘处通过弹性密封垫密封；所述盖板16的材质具体为绝缘金属板、PE、PC、PP或PVC；

或平板密闭空气阴极模块1由至少一个进气管11、至少一个出气管12、支撑板框13、两个片状空气阴极14和两个导流网15构成；进气管11和出气管12分别设置在支撑板框13的上边框外表面和下边框外表面，并且进气管11和出气管12分别与支撑板框13内部连通；其中一个片状空气阴极14、其中一个导流网15、支撑板框13、另一个片状空气阴极14和另一个导流网15依次平行设置；

所述片状空气阴极14、导流网15和支撑板框13之间边缘处通过弹性密封垫密封。

本实施方式具备以下有益效果；

本实施方式针对空气阴极微生物燃料电池系统在实际污水处理环境中面临的水压以及大尺度阴极表面氧气获取的问题，开发了包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统。该系统将毗邻的空气阴极做成密闭式的阴极模块，通过调节进气管的进气速率以及进气管的压力使闭式的阴极模块内部形成空气薄层，空气薄层的气压与阴极模块外部的水压平衡后，使阴极始终处于气水两侧平衡的压力之下，并且通过控制空气薄层与外界的气体交换使阴极能够获得充足的氧气供给。这种可流动的承压空气薄层还能够为阴极表面均匀的提供氧气，能够提高阴极表面氧气的分压从而获得更高的产电性能。因此，该系统成功解决了微生物燃料电池系统中的水压问题，并在维持高阴极比表面积的基础上解决了复氧问题，设置的密闭的阴极模块使该系统能够适用于各种实际深度的运行。同时，本实施方式空气阴极为完全浸没运行，避免了空气阴极暴露在大气环境中导致空气阴极表面潮湿、淋水、积尘、老化或附着污染物，影响微生物燃料电池的正常运行的发生。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述片状空气阴极14为金属基阴极或碳纤维布基阴极。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述金属基阴极为多孔状的金属材质的阴极或网状的金属材质的阴极。其他步骤和参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述阳极2为平板阳极、平板多孔阳极或碳刷组；所述碳刷组为多个平行设置的碳刷构成的平面碳刷组。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述平板多孔阳极的材质为多孔的导电碳基材料或多孔的导电耐腐蚀的金属基材料。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述弹性密封垫的材质为天然橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟化橡胶、硅酮密封胶或、硅胶密封胶。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述支撑板框13的形状为长方形、正方形或梯形。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述支撑板框13的边框厚度为0.5～10cm，宽度为0.1～10cm。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述导流网15的材质为工程塑料或金属。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述平板阳极的材质为导电碳基材料或导电耐腐蚀的金属基材料。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述导电碳基材料为碳纤维布、碳毡或活性碳。其他步骤和参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述金属基材料的为钨、钛或不锈钢。其他步骤和参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十三：结合图7至图11说明本实施方式，本实施方式包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统由圆柱密闭空气阴极模块3和管状阳极4构成；管状阳极4套设于圆柱密闭空气阴极模块3的外部，并且圆柱密闭空气阴极模块3和管状阳极4的轴线重合设置；

所述圆柱密闭空气阴极模块3由管状板框31、阴极管箍32、管状空气阴极33、至少一个上端进气管34、至少一个下端出气管35和管壁支撑条36构成；

所述管状板框31的管壁为镂空状，管状板框31的两端设置有密封盖板37，上端进气管34和下端出气管35分别垂直于管状板框31的两端设置的密封盖板37设置，上端进气管34和下端出气管35分别与管状板框31内部连通；管状板框31内部径向设置有数个管壁支撑条36；管状空气阴极33套设在管状板框31的圆柱表面，阴极管箍32套设在管状空气阴极33的两端；

所述管状空气阴极33和管状板框31的圆柱表面之间边缘处通过弹性密封垫密封；

所述弹性密封垫的材质为天然橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟化橡胶、硅酮密封胶或、硅胶密封胶。

本实施方式具备以下有益效果；

本实施方式针对空气阴极微生物燃料电池系统在实际污水处理环境中面临的水压以及大尺度阴极表面氧气获取的问题，开发了包含具有完全浸没运行的空气阴极的微生物电化学系统。该系统将毗邻的空气阴极做成密闭式的阴极模块，通过调节进气管的进气速率以及进气管的压力使闭式的阴极模块内部形成空气薄层，空气薄层的气压与阴极模块外部的水压平衡后，使阴极始终处于气水两侧平衡的压力之下，并且通过控制空气薄层与外界的气体交换使阴极能够获得充足的氧气供给。这种可流动的承压空气薄层还能够为阴极表面均匀的提供氧气，能够提高阴极表面氧气的分压从而获得更高的产电性能。因此，该系统成功解决了微生物燃料电池系统中的水压问题，并在维持高阴极比表面积的基础上解决了复氧问题，设置的密闭的阴极模块使该系统能够适用于各种实际深度的运行。同时，本实施方式空气阴极为完全浸没运行，避免了空气阴极暴露在大气环境中导致空气阴极表面潮湿、淋水、积尘、老化或附着污染物，影响微生物燃料电池的正常运行的发生。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同的是：所述管状空气阴极33为金属基阴极或碳纤维布基阴极。其他步骤和参数与具体实施方式十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十三或十四不同的是：所述金属基阴极为多孔状的金属材质的阴极或网状的金属材质的阴极。其他步骤和参数与具体实施方式十三或十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十三至十五之一不同的是：所述管状阳极4为管状导电碳基材料、管状导电耐腐蚀的金属基材料、管状多孔的导电碳基材料、管状多孔的导电耐腐蚀的金属基材料或管状碳刷组；所述管状碳刷组为多个平行间隔设置的碳刷合围构成的管状碳刷组。其他步骤和参数与具体实施方式十三至十五之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十三至十六之一不同的是：所述导电碳基材料为碳纤维布、碳毡或活性碳；所述金属基材料的为钨、钛或不锈钢。其他步骤和参数与具体实施方式十三至十六之一相同。