Биоэлектрохимический реактор

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод, в частности, к биоэлектрохимическому реактору, и может быть использована для создания электрохимических генераторов электричества. Предлагается биоэлектрохимический реактор, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную камеры с катодом, отличающийся тем, что, анод и катод выполнены из карбида кремния, при этом анод, запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть, а в верхней его части находится патрубок для аэрации. Технический эффект - увеличение удельной площади электродов биоэлектрохимического реактора без увеличения объема ячейки, повышение устойчивости к механическим и химическим воздействиям, снижение уровня перенапряжения катода без добавления в качестве катализатора драгоценных металлов, повышение выхода электроэнергии, интенсификация утилизации компонентов сточных вод.

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

Известен микробный биотопливный элемент /Патент РФ на полезную модель 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 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, выполненные из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobactercerinus ВКМ В-1283.

Также известен микробный биотопливный элемент на основе штамма Gluconobacteroxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель 108217 H01M 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 (оба электрода выполнены из графита), а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающееся тем, что использован штамм Gluconobacteroxydans ВКМ В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.

Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический реактор, /Патент РФ 2496187 H01M 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.

Недостатками представленных выше моделей является то, что они либо используют электроды из волокнистых и/или графитовых материалов, которые быстро придут в негодность при работе в условиях очистных сооружений (как из-за активного перемешивания сточных вод, так и из-за химически агрессивных компонентов, присутствующих в них) /Патент РФ 2496187 H01M 8/16 2012/, либо они вообще не предназначены для промышленного использования, а являются скорее лабораторными образцами /Патент РФ на полезную модель 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г.; Патент РФ на полезную модель 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г./. Кроме того, по полезной модели 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г. следует отметить, что в ней не решается проблема перенапряжения катода и требуются специфические катализаторы, которые приводят к увеличению себестоимости получаемой электроэнергии в микробном топливном элементе. Также по полезной модели 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г. следует отметить низкий уровень восстановления кислорода до воды.

Задача предполагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический реактор, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную камеры с катодом, причем анод и катод выполнены из карбида кремния, при этом анод запаян сверху для избежания диффузии кислорода в анодную камеру, а у катода в верхней его части находится патрубок для аэрации, а нижняя часть катода запаяна для интенсификации процесса прохождения воздуха через поры катода.

Основные характеристики карбида кремния представлены в таблице 1.

Для производства электроэнергии в биоэлектрохимических реакторах в условиях очистных сооружений наибольшее значение имеет высокая прочность данного материала, устойчивость к механическому и химическому воздействиям. Благодаря высокой площади поверхности и пористой структуре электродов появляется возможность как для иммобилизации большего числа микроорганизмов на аноде, так и интенсификации процесса восстановления кислорода до воды на катоде. Из-за наличия в составе карбида кремния примеси атомов металлов переменной валентности, выступающих в роли катализатора процесса восстановления кислорода, данный процесс на катоде еще более усиливается (таблица 2).

Схема биоэлектрохимического реактора с электродами из карбида кремния представлена на фиг. 1.

Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протонообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - токоснимающая часть, 8 - патрубок.

Предложенный биоэлектрохимический реактор в общем виде представляет собой ячейку 1. Она содержит два отсека - анодную 2 и катодную 3 камеры, разделенные протонообменной мембраной 4. Корпус ячейки изготовлен из прозрачного органического стекла. Анод 5 и катод 6 из карбида кремния закреплены в ячейке 1 посредством винтового соединения, а места контактов электродов с токоснимающей частью 7 выполнены из индия и скандия. Анод 5 запаян в верхней части, катод 6, напротив, запаян в нижней части, чтобы обеспечить прохождение воздуха через поры электрода. Для подачи воздуха в верхней части катода имеется патрубок 8, который соединен с компрессором. Воздух проходит через патрубок и вынужден просачиваться через поры электрода, что создает вокруг него воздушную «пену». Карбид кремния как материал является весьма привлекательным для микроорганизмов, не вызывает токсического действия на них, что позволяет развить на всей поверхности электрода мощную биопленку микроорганизмов-электрогенов, участвующих в процессах генерирования электрического тока при утилизации компонентов сточных вод. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с неодинаковыми условиями (кислородсодержащая катодная и бескислородная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.

Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которым может служить, к примеру, активный ил из очистных сооружений, коммерческие микробиологические препараты и т.п. В катодную камеру 3 наливают воду и включают аэрацию катодной камеры. Электроды 5 и 6 соединяются проводником и фиксируют с помощью измерительного прибора (вольтметра) повышение ЭДС.

Технический эффект - увеличение удельной площади электродов биоэлектрохимического реактора без увеличения объема ячейки, повышение устойчивости к механическим и химическим воздействиям, снижение уровня перенапряжения катода без добавления в качестве катализатора драгоценных металлов, повышение выхода электроэнергии, интенсификация утилизации компонентов сточных вод.

Биоэлектрохимический реактор, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную камеры с катодом, отличающийся тем, что анод и катод выполнены из карбида кремния, при этом анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть, а в верхней части катода расположен патрубок для аэрации.