Микробный топливный элемент

Микробный топливный элемент предназначен для создания электрохимических генераторов электричества. Микробный топливный элемент содержит анодную с суспензия микробных клеток и катодную камеры с измерительными электродами Камеры расположены в одной емкости и разделены ионообменной мембраной Электроды выполнены пористыми. В качестве суспензии микробных клеток использован коммерческий биопрепарат эффективных микроорганизмов «ЭМ 1 - Восток» (ООО «Приморский ЭМ-центр»). Выполнение электродов пористыми и использование биопрепарата «ЭМ-1 Восток позволяет повысить выход электроэнергии и интенсифицировать утилизацию компонентов сточных вод. 3 ил. 1 табл.

Предполагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности к биоэлектрохимическому реактору, и может быть использовано для создания электрохимических генераторов электричества.

Известен микробный биотопливный элемент /Патент РФ на полезную модель 109758 С12М 1/00, C12N 13/00, Н01М 8/16 2011 г.,, содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter cerinus ВКМ В-1283.

Известен микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 / Патент РФ на полезную модель 108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г,, представляющее собой микробный биотопливный элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую, содержащее две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, в другой находится электрод сравнения, а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающееся тем, что использован штамм Gluconobacter oxydans ВКМ В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.

Известен микробный топливный элемент /Патент СА2769833 С12М 1/00; С12М 1/04; С12Р 3/00; Н01М 2/16; Н01М 8/16. 10.02.11/ состоящий из: катодного отсека, анодного отсека, с электродом и имеющим по крайней мере один вход для внедрения на топливе водород отделенные проницаемой мембраной для протонов в которой микроорганизмы являются одним из chemolithoautotrophic; миксотрофных; chemolithoautotrophic и миксотрофных; и chemolithoautotrophic, миксотрофных и гетеротрофных где род каждого из указанных микроорганизмов является одним из Leptospirillum, Ферроплазма, Sulfobacillus, Acidithiobacillus, Alicyclobacilus, Acidimicrobium и Ferrimicrobium.

Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический реактор /Патент РФ 2496187 Н01М 8/16 2012/, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества, выполненный в виде секционированной емкости, включающий анодную и катодную зоны, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, где катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов, отличающийся тем, что секции образованы плоскими перегородками, содержащими отверстия для протока жидкой фазы, анодные электроды представляют собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда с образованием четырех поверхностей из волокна и четырех внутренних каналов для прохождения жидкой фазы, а катодные электроды представляют собой воздушные катоды с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.

Недостатком известных МТЭ является низкая механическая прочность электродов, так как в качестве материала для них чаще всего используют углеродную бумагу или углеродное волокно. Углеродная бумага и углеродное волокно быстро сминаются и легко рвутся. Это приводит к быстрому выходу электродов, а значит и МТЭ из строя и невозможностью использования их в жестких условиях очистных сооружений, где происходит интенсивное перемешивание потоков сточных вод и, как правило, присутствуют химически агрессивные ингредиенты. Поэтому важное преимущество разрабатываемой полезной модели: предлагаемых нами карбид кремниевых электродов состоит в том, что они из-за своего химического состава и технологии изготовления, характеризуются очень высокой механической прочностью и химической инертностью.

Названные обстоятельства объясняют стабильность их работы при довольно жестких условиях, в частности в аэротенках очистных сооружений. Благодаря высокой пористости предлагаемые карбид кремниевые электроды имеют значительно более высокую (на 30%), чем уже известные электроды рабочую поверхность. Пористость материала и нулевой гидрозатвор создают условия для проникновения жидкости по всему объему электрода по всем порам. Большая поверхность карбид кремниевых электродов позволяет на аноде сорбировать больше микроорганизмов-электрогенов и компонентов сточных вод, а значит и концентрировать их. В результате этого достигается большее количество взаимодействующих друг с другом иммобилизованных биокатализаторов и их субстратов. Это в свою очередь облегчает микроорганизмам отнятие электронов от трансформируемых доноров и их передачу аноду. Что является еще одним преимуществом предлагаемых электродов. В связи с тем, что, поступающий от компрессора воздух подается в полую центральную часть цилиндрического катода, он вынужден под давлением просачиваться через поры электрода из его центральной части в катодное пространство. Это позволяет повысить насыщение среды кислородом, а значит интенсифицировать реакции восстановления кислорода до воды. Благодаря этому ослабляется перенапряжение на катоде, а следовательно и уменьшается падение мощности МТЭ, которое имеет место в большинстве известных электродов. Кроме того благодаря высокой пористости предлагаемых карбид кремниевых электродов и как следствии их огромной поверхности облегчается снятие избыточного отрицательного заряда с катода отвечающего за перенапряжение. В предлагаемых нами карбид кремниевых электродах перенапряжение на катоде дает возможность ослаблять содержащиеся в электродах недрагоценные металлы переменной валентности, которые выступают в качестве катализаторов реакций восстановления кислорода. Это позволит значительно снизить себестоимость разработанных ячеек по сравнению с электродами из благородных металлов.

Задачей предполагаемой полезной модели является создание топливного элемента с высокопрочными, высокоустойчивыми к механическим и химическим воздействиям, с повышенной разветвленной поверхностью, высокой сорбционной способностью и низким уровнем перенапряжения электродами, с пониженной себестоимостью, содержащими вместо драгоценных металлов добавки металлов переменной валентности, которые выступают в качестве катализаторов реакций восстановления кислорода, что позволяет увеличить выход электроэнергии и интенсифицировать утилизацию компонентов сточных вод.

Поставленная задача достигается тем, что в топливном элементе, работающем на основе окисления органических веществ с помощью микроорганизмов, содержащем анодную с суспензией микробных клеток и катодную камеры с электродами, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, стенка камер выполнена их органического стекла, а электроды выполнены пористыми, причем объем пор составляет не менее 30%, и в качестве суспензии микроорганизмов использован биопрепарат, содержащий фотосинтезируемые бактерии, который предварительно активирован сточной водой, содержащей 1% глюкозы

Схема микробного топливного элемента представлена на Фиг. 1. На Фиг. 2 представлен светодиод, работающий за счет энергии МТЭ.

Фиг. 1 - где 1 - анод, 2 - катод, 3 - анодная камера, 4 - катодная камера, 5 - протообменная мембрана

Предложенный МТЭ в общем виде представляет собой ячейку, имеющую отсек для подсоединения электродов, анодную и катодную камеры. Камеры отделены друг от друга протонообменной мембраной. Обе камеры оборудованы устройствами для подвода и отвода газа. В анодной камере создавали анаэробные условия. Это достигалось подачей аргона. Барботирование аргоном кроме того обеспечивало перемешивание суспензии и предотвращало оседание микроорганизмов на дно отсека.

Назначение мембраны - осуществлять однонаправленный перенос протонов, образующихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, из анодной камеры в катодную, и не давать кислороду возможности проходить в обратном направлении. Стенки камер выполнены из органического стекла толщиной 4 мм. Электроды 1 закреплены в держателях 5. Для обеспечения омического контакта между держателем и карбидом кремния использовали металлы индий и скандий. Электроды представляют собой развитую пористую структуру. Стержни насквозь пронизаны порами. Объем пор электрода составляет не менее 30% от полного объема. Проникновение жидкости в такие поры не приводит к образованию гидрозатвора и дает возможность создавать равномерную биопленку по всему объему электрода. Пористость увеличивает площадь и объем анода. Это позволяет достигать большего количества микроорганизмов взаимодействующих с анодом и трансформируемыми донорами электронов.

В качестве биоагентов для производства электроэнергии качестве суспензии микроорганизмов использован биопрепарат, содержащий фотосинтезируемые бактерии, разделенные на фотосинтезирующих бактерии, молочнокислые бактерии, дрожжи, актино-мицеты и грибы брожения, которые способны очистить и возродить природу. Основные виды участвующие обычно:

Устройство работает следующим образом:

В анодную камеру вносят консорциум микроорганизмов биопрепарата, содержащий фотосинтезируемые бактерии, который предварительно активирован сточной водой, содержащей 1% глюкозы.

Перед использованием биопрепарат, содержащий фотосинтезируемые бактерии» активируют. Для этого исходный препарат разводят в соотношении 1:50 модельной сточной водой, содержащей 1% глюкозу. Затем суспензию культивируют в течение 24 часов при температуре 30°С. Активированный консорциум микроорганизмов вносят в анодный отсек ячейки, катодное пространство заполняют модельной сточной водой. Контролем служат МТЭ, в анодную и катодную камеру которого не добавляют микроорганизмы. Все показатели (титр, напряжение, топливного элемента, разрядный ток замеряют сразу и через 8, 10, 24 часов. Снятие разрядных кривых осуществляют при замыкании электродов на постоянную нагрузку.

Воздух со скоростью 1,5 л/ч подают через верхнюю цилиндрическую часть электрода. Поэтому воздух вынужден был просачиваться под давлением через поры электрода. За счет этого интенсифицировались процессы растворения кислорода и окисления им восстановительных эквивалентов. Устойчивость карбида кремния к агрессивным средам (щелочам, кислотам, сильным окислителям и т.п.), а также к механическим повреждениям дает подобным электродам дополнительные преимущества по сравнению с материалами, которые обычно используются в МТЭ (графитовая бумага, графитовая ткань). Отмеченные особенности крайне важны для того, чтобы МТЭ могли работать в жестких условиях очистных сооружений и утилизировать элементы сточных вод. В качестве основной среды в анодную и катодную камеры ячейки заливали модельную сточную воду (таблица 1). Ее предварительно автоклавировали при 1 атм и 120°С в течение 30 минут.

В качестве модельного ПАВ выбрали додецилсульфат натрия (C₁₂H₂₅SO₄Na) - sodium dodecylsulfate (SDS), он является характерным представителем анионных ПАВ. SDS входит в состав многих моющих препаратов, выпускаемых промышленностью и поступает в больших количествах в сточные воды. В опытах с ПАВ в ячейки вносили предварительно стерилизованную модельную воду с добавлением 0,1% SDS.

Рассчитывали средние арифметические величины (М) и доверительные интервалы. Статистическая обработка результатов проведена с использованием пакета MS Office 2010. Выводы сделаны при вероятности безошибочного прогноза p0,95.

После внесения биопрепарата в анодную камеру топливного элемента фиксировали существенное повышение напряжения. Кривая изменения во времени генерирования напряжения в МТЭ отражена на Фиг. 3. Из него видно, что в течение первых четырех суток напряжение в ячейке быстро нарастало. Затем фиксировали снижение скорости, и повышение и относительную стабилизацию напряжения в районе около 800 мВ. Такая картина сохранялась вплоть до девятых суток.

С использованием предлагаемых биотопливных элементов исследовали влияние нагрузки на напряжение в ячейке. Измерения проводили при трех значениях нагрузки в виде омического сопротивления 100, 10 и 1 кОм. На Фиг. 4 приведены кривые изменений напряжения и силы тока МТЭ в зависимости от нагрузки. Они носят практически зеркальный характер. Влияние нагрузки на силу тока и напряжение ячейки МТЭ. U_исх.=812 мВ, верхняя кривая - напряжение (мВ), нижняя - сила тока (мкА). Разрядные кривые исследуемого микробного топливного элемента при различных токах разряда: а - 1 мА, б - 10 мА.

Технический эффект - повышение сорбционной способность электродов МТЭ, а также увеличение их устойчивости к механическим и химическим воздействиям и снижение уровня перенапряжения катода без добавления драгоценных металлов, повышение выхода электроэнергии и интенсификация утилизации компонентов сточных вод.

Топливный элемент, работающий на основе окисления органических веществ с помощью микроорганизмов, содержащий анодную с суспензией микробных клеток и катодную камеры с электродами, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, отличающийся тем, что стенка камер выполнена из органического стекла, а электроды выполнены пористыми, причем объем пор составляет не менее 30%, и в качестве суспензии микроорганизмов использован биопрепарат, содержащий фотосинтезируемые бактерии, который предварительно активирован сточной водой, содержащей 1% глюкозы.