基本信息
- 项目名称：
- 微生物燃料电池处理废水的实验装置及其测试系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一套将生物化学能转化为电能的装置。装置分为三部分，分别为圆柱型微生物燃料电池，微生物燃料电池控温装置和微生物燃料电池测试仪。 其中，圆柱型微生物燃料电池是双室燃料电池，结构紧凑、利于扩展及放大。控温装置能使整个燃料电池处于恒温。测试仪器的硬件主要包括数据采集卡，数据处理芯片和电源，能随时跟踪测试电池的各种电化学性能参数。
- 详细介绍：
- 本作品是一套将生物化学能传化为电能的装置。装置分为三个部分，分别为圆柱型微生物燃料电池、微生物燃料电池温控装置、微生物燃料电池测试仪。 其中圆柱型微生物燃料电池由阳极室、阴极室、质子膜组件、硅胶垫圈、紧固螺栓和底座构成。阳极室和阴极室设有电极插孔、取样孔和排气孔。这种圆柱型微生物燃料电池优点是电池主体采用圆柱型，阴阳两室距离近，电池的电阻小、功率高；质子膜与隔板间加有硅胶垫片，确保气密性良好，阴极氧气不会扩散到阳极，提高了电池的库伦效率；进气孔方向与电池池底平行，气体沿电池池底切向进入，使气流沿电池组内壁流动，不会影响电极工作；结构紧凑、利于扩展及放大、造价低廉。 微生物燃料电池控温装置能够分析微生物燃料电池处理废水过程中温度对其产电性能的影响。该控温装置由水槽、挡板、钛加热管、热电偶、循环水泵、半导体制冷器和电器控制仪表构成。利用此控温装置可以根据反应温度的需要实现温度的上升和降低，为微生物燃料电池运行工艺条件的深入研究提供有力的实验条件。 此外，基于微生物生物燃料电池系统的特点和特殊要求，开发出了微生物燃料电池测试仪。该测试仪器的硬件主要包括数据采集卡，数据处理芯片和电源。操作软件界面简洁明了，测试方法和数据保存操作简单，可以实时纪录微生物燃料电池反应器的各种参数的变化，为电池系统的性能测试提供了技术支持。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品设计目的是克服现有的微生物燃料电池结构与运行方式不利于扩展、放大以及成本高的缺点。 电池主体采用圆柱型，阴阳两室距离近，电池的电阻小、功率高；质子膜与隔板间加有硅胶垫片，确保气密性良好，阴极氧气不会扩散到阳极，提高了电池的库伦效率；进气孔方向与电池池底平行，气体沿电池池底切向进入，使气流沿电池组内壁流动，不会影响电极工作；结构紧凑、利于扩展及放大、造价低廉。 为了分析微生物燃料电池处理废水过程中温度对其产电性能的影响，设计了一种微生物燃料电池控温装置。在该控温装置的水槽内放入微生物燃料电池装置，通过将挡板插入挡板插槽内来固定微生物燃料电池装置；将微生物燃料电池装置浸没在水槽水中；开启循环水泵，水槽内的水流通过挡板上的方孔形成“S”型循环回路，使水槽内的水流充分混匀以便其温差减到最小；当水的温度低于设定温度时，钛加热器运行以升高水温，当水的温度高于设定温度时，半导体制冷器运行降低水温。 此外，基于微生物生物燃料电池系统的特点和特殊要求，开发出了微生物燃料电池测试仪。该测试仪器的硬件主要包括数据采集卡，数据处理芯片和电源。操作软件界面简洁明了，测试方法和数据保存操作简单，可以实时纪录微生物燃料电池反应器的各种参数的变化，为电池系统的性能测试提供了技术支持。
科学性、先进性
- 1.MFC反应器电池主体采用圆柱型，阴阳两室距离近，电池的电阻小、功率高；质子膜与隔板间加有硅胶垫片，确保气密性良好，阴极氧气不会扩散到阳极，提高了电池的库伦效率；阴阳极室为封头式圆筒结构，既降低了渗漏废水的可能，同时可以根据处理废水量的大小扩展阴阳极室容积。容器材质采用聚甲基丙烯酸甲酯，这种材质耐温、不易碎。 2.电化学方法与技术电压数据采集系统由连接在电脑上的数据采集器和相应的数据采集软件组成。在本测试系统中，设定了循环伏安法和线性扫描伏安法的功能，分析阴阳极电极改性对MFC产电性能的影响。本作品用于处理垃圾渗滤液和苯胺废水MFC系统，实时记录了反应器在长期运行时开路电压、闭路电压、电流、电阻等产电性能参数的变化。为研究微生物燃料电池处理不同废水的产点过程提供了基础科学数据。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品相关研究内容申报了四项发明专利，发表了两篇文章。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 图片 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 随着全世界范围内的能源紧缺和环境污染问题的加剧，研发新的环境友好处理工艺从有机废水中回收有价能源已经成为环境工程领域一个重要的方向，是实现废水处理能源化与可持续性发展的重要途径之一。 微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）能够利用微生物作为催化剂将有机化合物氧化分解，同时产生电流，将有机物中的化学能直接转化为电能，是一种全新的废水处理技术。目前，MFC在全世界范围内的研究尚处于起步阶段，大量的工作集中在技术的可行性和基础研究的水平上，而限制该技术应用于商业化和工程应用的主要问题是产电功率密度低，材料造价昂贵，MFC型式的不确定。 针对MFC研究目前存在的问题，本作品就MFC实验系统中的双室MFC装置、实验系统的温控设施和电化学性能的测试系统方面进行了设计和改进，MFC实验室的基础研究提供了一套较实用的实验系统，同时该实验系统可以根据废水处理量的要求放大该装置，使其可以进行废水处理中试实验，为其在工程中实际应用提供了基础数据。
同类课题研究水平概述
- 废水处理的高能耗导致了新的环境问题。因此，未来的水处理过程中，如何将废水资源化，从废水回收能量成为了新的研究热点。目前已有报道的废水处理资源化的方法主要包括利用废水生物产甲烷、生物制氢、藻类生产生物柴油和微生物燃料电池产电。微生物燃料电池在产电过程中几乎没有其他（诸如热能等）形式的能量耗散，废物中的生物化学能直接被转化为电能，因此具有较高的理论能量转化效率，是一种新兴的废物资源化的方法，具有广阔的市场前景。 1.微生物燃料电池实验装置的构建 在实验室中广泛使用的，发电效率最高的为双室型电池。传统的双室型微生物燃料电池由于电极之间距离远，电池的欧姆损失大，导致电池的内阻增加，输出功率下降。目前已报道的使用质子交换膜或盐桥做阴阳极室分隔措施的其它形式的微生物燃料电池内阻一般在几百到几千欧姆甚至更高。本组通过不断地实验及其改进，设计了结构独特的双室型微生物燃料电池，大大减少了电池的内阻，初步的电池系统运行测试中测得电池的内阻约为200欧。这种内阻小的电池构型可以大大的提高微生物燃料电池的功率输出，达到一定得发电量。 2.微生物燃料电池控温装置的构建 温度是影响产电微生物生长和繁殖的最主要的因素之一，因此温度对于MFC系统的产电性能的影响较大。为了研究温度对MFC系统的产电微生物和产电性能的影响，需要不断改变MFC系统所处的环境温度，为此，本组设计了微生物燃料电池控温装置，保证了微生物燃料电池在恒温下运行。 3.微生物燃料电池测试系统的构建和软件界面 本组基于微生物生物燃料电池系统的特点和特殊要求，开发出了微生物燃料电池测试仪等仪器。这些测试仪器的硬件主要包括数据采集卡，数据处理芯片和电源。仪器的构造简单实用，为电池系统的性能测试提供了技术支持。微生物电池测试仪器的电压范围为±10V，电流范围为±250 mA。仪器的数据采集速率为10 KHz。仪器通过USB接口与PC连接并通信。仪器适合于系统的测试和评估微生物燃料电池。
