[发明专利]微生物燃料电池及木薯废醪液资源化方法

权利要求书

1.一种微生物燃料电池，其特征在于它由阳极室、阴极室、阳极、催化阴极、石墨棒、钛丝、阳极导线、阴极导线、硅胶垫片、阳离子交换膜、法兰、密封盖组成；阳极室、阴极室均为封头式立方体结构，对称分布；两极室之间用法兰连接，中间夹有阳离子交换膜、硅胶垫片及隔离材料，三者均呈矩形，垫片中心开有矩形方孔，孔的边长小于膜的边长，按隔离材料、垫片、膜的顺序排列构成膜组件，通过紧固螺栓与法兰连接固定；反应器两端均可拆卸，采用硅胶垫片加密封盖连接，反应器顶端封闭，设置有电极口和取样口，反应器的侧面设置有进水口，底部设置排水口；在阳极室中，石墨棒(或钛丝)的上部与导线入口固定连接，下部与阳极固定连接，容器保持密闭状态；在阴极室中，阴极与钛丝进行锡焊连接，内置曝气装置；阳极与阴极均置于各自容器中央，阳极石墨棒引出的阳极导线和阴极导线连接于外电路。

2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于阳极由碳纸、碳布、碳纤维、颗粒石墨、碳纳米管、石墨毡、玻璃碳或泡沫金属中的任一种制成；催化阴极采用碳纸、碳布中的任一种制成，催化阴极上自行负载有0.15～0.25mg/cm²的Pt催化剂。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：阳极使用颗粒石墨、石墨毡、玻璃碳及泡沫金属等材料时，采用填充方法，并由石墨棒导出；阳极使用碳纸、碳布、石墨毡材料时，采用悬浮式连接，由开口石墨棒夹住阳极或将阳极与钛丝进行锡焊处理；阳极使用碳纤维材料时，可将其缠绕在石墨棒上直接导出，亦可与钛丝编织成碳纤维刷。

4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于阴极室和阳极室不依靠传统的悬臂连接，而是直接进行法兰连接，形成较大的质子交换面积，减小了电极间距以及内阻。

5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于构建了隔离材料、硅胶垫片、阳离子交换膜“三明治”结构的膜组件，隔离材料与膜之间的空隙形成小室，其主要用途是截留废醪液固体颗粒，防止其粘附在交换膜上，形成较大的传质阻力；隔离材料包括钛丝网、不锈钢滤网和尼龙布，网格孔径为100～200目。

6.采用权利要求1所述的微生物燃料电池利用木薯废醪液发电的方法，其特征在于该方法是按下述步骤实现的：(1)废醪液固液分离：采用离心分离法处理木薯废醪液，5000～8000rpm(转/分)，时间8～10min，得到醪糟和上清液，上清液过滤纸后备用作为反应底物；(2)超声-高温厌氧短程发酵联合处理醪糟：将步骤1中的醪糟采用超声波细胞破碎仪进行破碎，超声功率密度1～1.5W/ml，频率20kHz，时间10～15min，收集部分超声后的固态醪糟加入到厌氧发酵装置中，并向反应器中接种厌氧污泥，污泥浓度10～15g/L，用NaOH调节pH至9～11，在50～55℃进行高温发酵，搅拌转速100～150r/min，经过6～8天不完全发酵后，将发酵混合物在8000rpm离心10min，收集发酵上清液备用作为反应底物；(3)微生物燃料电池的启动：用pH7.4的50mM PBS缓冲溶液对步骤(1)中的上清液稀释并调节pH至中性，控制COD浓度为1000～20000mg/L，补充微量元素和矿物质，将稀释液加入到微生物燃料电池的阳极室，并向阳极内接种污泥，污泥浓度1～5g MLSS/L，溶液充满整个阳极室，保持密闭状态；阴极室注入pH 7.4的50mM PBS缓冲溶液，并曝气充氧，环境温度控制在25±5℃，外接1000Ω电阻，启动微生物燃料电池，当负责电阻电压输出低于50mV且COD降解达到稳定状态时，完全更换阳极液，待负载电压稳定在400mV以上，微生物燃料电池启动成功；(4)微生物燃料电池启动成功后，以固液分离上清液、超声后的醪糟、厌氧发酵上清液以及废醪原液中任一种或几种的混合物作为阳极室燃料进行产电(处理方法同步骤3)，测定不同基质条件下底物的降解率(以COD表征)和电池的产电性能。

7.根据权利要求6所述的采用废醪液发电的方法，其特征在于木薯废醪液可以替换为甘蔗废醪液、玉米废醪液及其他农业作物废醪液中的任一种或几种的组合。

8.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于步骤(1)固液分离方法可以为自然沉降法、离心分离法及板框压滤法中任一种，综合考虑液体得率、处理速率、能耗等因素，以离心分离法最佳，转速控制在5000～8000rpm(转/分)，其中以5000rpm最为适宜。