專利名稱：一種基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于資源循環(huán)利用的可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種將土壤中有機(jī)質(zhì)提取并通過微生物的催化作用而產(chǎn)電的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池是一種利用微生物的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的裝置。通常微生物燃料電池分為陽(yáng)極室和陰極室，并通過膜將兩室分開。陽(yáng)極以微生物為催化劑，催化進(jìn)入陽(yáng)極室的有機(jī)質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并將在此過程中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)疥?yáng)極，在通過外電路負(fù)載到達(dá)陰極。細(xì)菌降解有機(jī)質(zhì)所產(chǎn)生的質(zhì)子從陽(yáng)極室通過膜到達(dá)陰極，在陰極上與電子受體反應(yīng)，由此產(chǎn)生電流。植物通過葉綠素進(jìn)行光合作用，固定CO2合成碳水化合物。依據(jù)植物的種類及環(huán)境條件，大約有60%的被固定C會(huì)輸入到根部。研究表明.土壤有機(jī)質(zhì)總數(shù)的30% 40%來自根分泌物和死亡的根。主要有(1)糖類、有機(jī)酸等；( 高分子碳水化合物和酶等；(3) 死亡的細(xì)胞物質(zhì)；(4)乙烯等氣體物質(zhì)。目前的研究表明糖類和有機(jī)酸等都可作為微生物燃料電池的燃料。但對(duì)于目前的以土壤中有機(jī)質(zhì)為燃料微生物燃料電池系統(tǒng)存在的主要問題是由于土壤中傳質(zhì)阻力導(dǎo)致電壓過小。并且由于植物的光合作用對(duì)光照依賴較大，導(dǎo)致白天和夜晚的電壓變化比較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有以土壤中有機(jī)質(zhì)為燃料的微生物燃料電池系統(tǒng)的不足，本發(fā)明提出一種新的基于土壤有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，該裝置不僅可以克服土壤傳質(zhì)的阻力， 而且還可以減少對(duì)光照的依賴。本發(fā)明主要通過土壤有機(jī)質(zhì)提取裝置將土壤中有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分離，分離后的有機(jī)質(zhì)在進(jìn)入微生物燃料電池系統(tǒng)，以此提高基于土壤有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池的效率，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。本發(fā)明的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)， 該微生物燃料電池系統(tǒng)包括陽(yáng)極室、陽(yáng)極電極、陰極電極、外電路和膜，其特征在于，還包括土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)，該土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道依次相連的滲液計(jì)、集液裝置、 蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室相連，在集液裝置上部還連有泵。所述的滲水計(jì)優(yōu)選為多孔陶瓷滲水計(jì)。所述的集液裝置上部的泵可為手動(dòng)或電動(dòng)的真空泵，泵的作用是使?jié)B水計(jì)及其周圍形成負(fù)壓，以便土壤中含有有機(jī)質(zhì)的可自由移動(dòng)的水分透過滲水計(jì)的孔進(jìn)入滲水計(jì)中。所述的陽(yáng)極室內(nèi)的微生物優(yōu)選為α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)的沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)禾口人蒼白桿菌(Ochrobactrum anthropi)；
變形菌綱(Betaproteobacteria)的鐵還原紅育菌(Rhodofoferax ferrireducens)； Y -變形菌綱(Gammaproteobacteria)的嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophilia)、
3銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)禾口希萬(wàn)氏菌(Shewanellaputrefactions)、 S. oneidensis ； δ - ^ ^ ^ ^ (Deltaproteobacteria)白勺 ψι jS J^ ft ff ^ (Geobacter sulfurreducens)、金屬還原地桿菌(G. metallireducens) > Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸it 葉菌(Desulfoblbus propionicus)，此夕卜，還有厚壁菌門的丁酸梭菌(Clostridium butyricum)和拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii)，酸桿菌門 (Acidobacteria)白勺 Geothrix fermentan 巾白勺一禾中g(shù)/L禾中 &。所述的陽(yáng)極電極和陰極電極的電極材料優(yōu)選為網(wǎng)狀玻璃碳、石墨電極、石墨棒、石墨電刷、碳布、石墨板、碳紙、碳棒中的一種或幾種。所述的微生物燃料電池系統(tǒng)的膜優(yōu)選為質(zhì)子交換膜、陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜。所述的微生物燃料電池系統(tǒng)還具有陰極催化劑，所述的陰極催化劑優(yōu)選為Pt催化劑或生物陰極。在集液裝置和蠕動(dòng)泵之間優(yōu)選設(shè)有開關(guān)，便于控制。本發(fā)明的基于土壤有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置是這樣運(yùn)行的將滲液計(jì)放入土壤中，開啟泵，泵使得滲液計(jì)及其周圍形成負(fù)壓，一段時(shí)間后，土壤中含有有機(jī)質(zhì)的可自由移動(dòng)的水分進(jìn)入滲液計(jì)中，收集到得溶液在集液裝置中貯存，再通過蠕動(dòng)泵將集液裝置中的溶液定量輸送到微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室內(nèi)進(jìn)行微生物燃料電池的發(fā)電。本發(fā)明與常規(guī)的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池相比，由于本發(fā)明中采用了土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)，土壤中的含有有機(jī)質(zhì)的水分進(jìn)入滲液計(jì)中，收集存儲(chǔ)在集液裝置中， 再通過蠕動(dòng)泵定量輸送到微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室內(nèi)進(jìn)行微生物燃料電池的發(fā)電。這樣就避免了有機(jī)質(zhì)和質(zhì)子在土壤中的傳質(zhì)阻力，提高了微生物燃料電池的效率，同時(shí)由于將有機(jī)質(zhì)提取貯存，定量輸入微生物燃料電池系統(tǒng)，因此減少了光照時(shí)間因素對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)影響的作用，并進(jìn)而減少了基于土壤有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池的電壓變化因素，有利于電壓的穩(wěn)定輸出。因此本發(fā)明的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置具有效率高， 電壓穩(wěn)定輸出，對(duì)光照依賴少的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1、多孔陶瓷滲液計(jì)；2、開關(guān)；3、電動(dòng)真空泵；4、集液瓶；5、蠕動(dòng)泵；6、陽(yáng)極室、7、質(zhì)子交換膜；8、陰極電極；9、陽(yáng)極電極；10、外電路；11、出料口。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)施例的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)和土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)采用單室空氣陰極系統(tǒng)，包括陽(yáng)極室6、碳?xì)株?yáng)極電極9、外電路10、質(zhì)子交換膜7、碳?xì)株帢O電極8，陽(yáng)極室6下部具有出料口 11，出料口上安有開關(guān)，所述的質(zhì)子交換膜7和碳?xì)株帢O電極8熱壓在一起， 用Pt催化劑催化陰極反應(yīng)。所述的土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道依次連接的多孔陶瓷滲液計(jì)1、集液瓶4、蠕動(dòng)泵5，蠕動(dòng)泵的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室6相連，在集液瓶4的上蓋上還連有電動(dòng)真空泵3，在集液瓶4和蠕動(dòng)泵5之間還設(shè)有開關(guān)2。
本實(shí)施例是這樣運(yùn)行的首先在土壤中鉆取一定直徑的空穴，插入用水潤(rùn)濕的多孔陶瓷滲液計(jì)1，滲液計(jì)1尾部根據(jù)需要可連接長(zhǎng)度不等的PVC管，PVC管可與電動(dòng)真空泵 3相連，通過電動(dòng)真空泵3的作用使?jié)B液計(jì)1周圍形成負(fù)壓，一段時(shí)間后，土壤中含有有機(jī)質(zhì)的可自由移動(dòng)的水分滲過多孔陶瓷頭進(jìn)入多孔陶瓷滲液計(jì)1中，將收集到得溶液集中存儲(chǔ)在集液瓶4中，在收集土壤中的水分的過程中，可以將開關(guān)2關(guān)閉，溶液收集后，打開開關(guān) 2，再通過蠕動(dòng)泵5將集液瓶4中的溶液經(jīng)進(jìn)料口定量輸送到陽(yáng)極室6中進(jìn)行微生物燃料電池發(fā)電。陽(yáng)極室6內(nèi)接種的微生物來源于海底污泥，在陽(yáng)極電極9上的微生物的作用下反應(yīng)產(chǎn)生電子，電子通過外電路10達(dá)到陰極電極8，在Pt催化劑作用下，和氧氣反應(yīng)生成水， 構(gòu)成回路而產(chǎn)生電流。反應(yīng)后的溶液從出料口 11回流到土壤中。
權(quán)利要求
1.一種基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，包括微生物燃料電池系統(tǒng)，該微生物燃料電池系統(tǒng)包括陽(yáng)極室、陽(yáng)極電極、陰極電極、外電路和膜，其特征在于，還包括土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)，該土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)包括通過管道依次相連的滲液計(jì)、集液裝置、蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室相連，在集液裝置上部還連有泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的滲水計(jì)為多孔陶瓷滲水計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的集液裝置上部的泵為手動(dòng)或電動(dòng)的真空泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的陽(yáng)極室內(nèi)的微生物為沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)、人蒼白!f 菌(Ochrobactrum anthropi)、鐵還原紅育菌(Rhodofoferax ferrireducens) > 嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophifia)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、 希萬(wàn)氏菌(Shewanella putrefactions)、S. oneidensis ；硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、金屬還原地桿菌(G. metallireducens) > Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸硫葉菌(Desulfoblbus propionicus)、丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii)禾口 Geothrix fermentan 中的一禾中或幾種混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的陽(yáng)極電極和陰極電極的電極材料為網(wǎng)狀玻璃碳、石墨電極、石墨棒、石墨電刷、碳布、石墨板、碳紙、碳棒中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)的膜為質(zhì)子交換膜、陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，所述的微生物燃料電池系統(tǒng)還具有陰極催化劑，所述的陰極催化劑為Pt催化劑或生物陰極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置，其特征在于，在所述的集液裝置和蠕動(dòng)泵之間還設(shè)有開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于土壤中有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池裝置。它包括陽(yáng)極室、陽(yáng)極電極、陰極電極、外電路和膜，還包括土壤有機(jī)質(zhì)提取系統(tǒng)，其包括通過管道依次相連的滲液計(jì)、集液裝置、蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵的輸出口與微生物燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極室相連，在集液裝置上部還連有泵。土壤中含有有機(jī)質(zhì)的水分進(jìn)入滲液計(jì)中再儲(chǔ)存到集液裝置中通過蠕動(dòng)泵定量輸送到陽(yáng)極室內(nèi)進(jìn)行微生物燃料電池的發(fā)電，從而避免有機(jī)質(zhì)和質(zhì)子在土壤中的傳質(zhì)阻力，提高微生物燃料電池的效率，同時(shí)由于將有機(jī)質(zhì)提取貯存，定量輸入微生物燃料電池系統(tǒng)，因此減少了光照時(shí)間因素對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)影響的作用，進(jìn)而減少了基于土壤有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池的電壓變化因素，有利于電壓的穩(wěn)定輸出。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102412409SQ201110303240
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者孔曉英, 孔永明, 李 東, 李連華, 李穎, 楊改秀, 甄峰, 袁振宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所