专利名称：一种微生物电化学装置及利用秸秆产电的方法
技术领域：
本发明涉及一种微生物电化学装置，还涉及一种利用微生物电化学装置降解秸杆产电的方法。
背景技术：
农作物秸杆是世界上数量最多的一种农业生产副产品，是农作物成熟收获后剩下的作物残留物。由于农作物秸杆资源的利用涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、水土保持、环境安全以及农村能源的有效利用问题，也涉及到农村居民的生活需求，引起世界各国的普遍关注，并越来越成为发展可持续经济的重要方面。我国是农业大国，也是秸杆资源最丰富的国家之一，我国农作物秸杆产量虽然很大，但是由于在许多地区人们仍采用传统焚烧的方法处置农作物秸杆，利用率较低，既浪费资源又污染环境。为了缓解农村饲料、月巴料、燃料和工业原料的紧张状况，保护农村生态环境，农作物秸杆的综合利用就成为促进农业可持续协调发展的迫切要求。秸杆还田通常指的是农作物收获后将秸杆粉碎或整株返还到田里中的一种秸杆利用方法。此方法简单、方便、快捷、便于普及。秸杆直接还田的方式多种多样，常用的有高茬还田、覆盖免耕还田、粉碎翻压还田等。秸杆还田后，伴随着秸杆的腐解，土壤中的有机质以及氮、磷、钾和微量元素的含量也逐渐增加，土壤中物质的生物循环加速，土壤理化性质也得到了有效的改善。研究表明，秸杆还田可改善土壤团粒结构，提高保水透气能力，提高地温，增加土壤有机质含量，防止土壤板结，促进增产增收。秸杆还田有利于农业可持续发展。但是，将秸杆大量直接还田，腐解期长，会引起作物与秸杆腐烂过程中的自然存在的微生物争水争肥，对作物生长不利。因此如何来加速秸杆的降解速率，对于秸杆还田技术的推广至关重要。微生物电化学工艺是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。不仅可从易生化降解的有机物中获取电能，还可从一些难降解的有机物中获取电能。其作用机理为:有机物在阳极区 附近被产电微生物氧化分解，产生的电子到阳极，再经过外电路到达阴极，质子通过水溶液传递到阴极，并与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应，此过程中外电路会形成电流。现行的技术研究还多关注于其产电能力，其他方面的研究还有待进一步的探索。如果能利用微生物电化学技术来加速降解秸杆，并产生电能，将达到一举两得的目的。本发明的目的就是为秸杆还田提供一种新的方法。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的技术目的在于提供一种利用微生物电化学装置，结构简单且成本较低的秸杆降解利用方法。为实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下:
一种微生物电化学装置(SMFC)，主要由阳极、阴极、隔膜、阴极室、气孔、电阻、导线组成，其中，阴极与阴极室相连，隔膜位于阴极室和阳极之间，阳极、隔膜、阴极三合一构成膜电极，导线将阳极、阴极以及电阻之间串联成一个回路；所述阴极室和膜电极均埋入土壤层内，土壤层与空气之间设有水层；所述阳极与土壤层内的土壤接触，阴极的一面富含催化剂且该面与所述隔膜相对，所述阴极室与高出水层的且与空气直接接触的气孔相连通。所述阴极室为聚氯乙烯、或者硬度为60 95M的塑料材料制成。所述阳极为碳毡或者碳布制成；阴极为防水处理富含催化剂的碳布或碳毡制成。所述电极的隔膜材料为阳离子交换膜。所述电阻值为10-1000欧姆。所述富含催化剂的阴极所负载的催化剂为碳纳米管，其负载量为1-5 mg.cm—2。一般的微生物电化学装置阴极不负载催化剂，与其相比，反应速率可以提高1-2倍。所述富含催化剂的阴极利记博彩app为:
a)将阴极材料浸溃在质量比为5-10%的HNO3溶液中，60_90°C处理2_4h后取出，用去离子水洗至中性；
b)将碳纳米管和水按 质量比1:500-1:2000进行超声混合，得到电解液；
c)将阴极材料放置到电解槽中，将前述配好的电解液加到电解槽中，然后在电极两端加上20-40V的直流电压，电沉积10-60 min,电沉积结束后，把阴极材料取出，在60_90°C烘干;
d)将烘干后的电极背面涂上5%-15%的聚四氟乙烯作为防水层。上述富含催化剂的阴极利记博彩app中，a)步骤主要的目的，通过将材料放到硝酸中，使得材料的比表面积增大，利于催化剂的吸附。C)步骤的主要目的，通过控制电压和沉积时间，以控制电极上负载催化剂的效果和负载量。经过处理后的阴极其催化负载量为1-5mg.cm 2 ο为提高负载量，所述步骤C)中直流电压为32V。一种利用所述的微生物电化学装置降解秸杆产电的方法，该方法包括以下步骤:
a)把占土壤的质量比为0.2%- 3%秸杆加入到土壤中，形成土壤层；
b)将微生物电化学装置加入到土壤层中，其中膜电极位于土壤中，并加入水，形成水层，将膜电极连接于外电阻后启动微生物电化学装置；
c)当微生物电化学装置的电压稳定后，以使得产电微生物挂于阳极表面，之后使其电压保持在100- 600 mV，使得秸杆进行降解；当电压低于50 mV时候，降解过程结束。采用上述方法土壤中先秸杆所含的纤维素和半纤维素的降解率均可达到30%-35%。优选地，所述方法中秸杆占土壤的质量比为1%。所述秸杆为玉米杆、稻草、豆杆、麦杆中一种或几种。本发明的有益效果在于:
(1)本发明与现有技术的不同及优势在于:本发明主要是原位利用土壤中的秸杆来直接产电，避免了焚烧的二次污染，以及运输收集带来的成本；
(2)从废弃的生物质中获得能量，并且装置结构简单，不需要太多的维护，建造和运行成本低；
(3)本发明所述的微生物电化学装置，其阴极为空气电极，并富含高效催化剂，可有效提高阴极的氧还原作用，从而加速纤维素的降解。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
图1是本发明的结构示意 其中，1-阳极；2-阴极；3-隔膜；4-阴极室；5-气孔;6-电阻；7-导线。图2是微生物电化学装置中电压随时间的变化曲线；
图3是微生物电化学装置运行2个月后，土壤中秸杆的降解效果。
具体实施例方式下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
本实施例说明本发明所述的一种利用微生物电化学装置具体结构、应用方法以及工作原理。参照附图1，一种微生物电化学装置，主要由阳极1、阴极2、隔膜3、阴极室4、气孔
5、电阻6、导线7组成，其中，阴极I与阴极室4相连，隔膜3位于阴极室4和阳极I之间，阳极1、隔膜3、阴极2三合 一构成膜电极，导线7将阳极1、阴极2以及电阻6之间串联成一个回路；所述阴极室4和膜电极均埋入土壤层内，土壤层与空气之间设有水层；所述阳极I与土壤层内的土壤接触，阴极2的一面富含催化剂且该面与所述隔膜3相对，所述阴极室4与气孔5相连通，该气孔5高出水层且与空气直接接触。所述阴极室4为聚氯乙烯制成。所述阳极I为碳毡制成；阴极2为防水处理富含催化剂的碳毡制成。所述隔膜3材料为阳离子交换膜。所述电阻6的电阻值为100欧姆。所述富含催化剂的阴极利记博彩app为:
a)将阴极材料浸溃在质量比为5%的HNO3溶液中，90°C处理2h后取出，用去离子水洗至中性；
b)将碳纳米管和水按质量比1:1000进行超声混合，得到电解液；
c)将阴极材料放置到电解槽中，将前述配好的电解液加到电解槽中，然后在电极两端加上32V的直流电压，电沉积60 min,电沉积结束后，把阴极材料取出，在80°C烘干；C)步骤的主要目的，通过控制电压和沉积时间，以控制电极上负载催化剂的效果和负载量。经过处理后的阴极其催化负载量为3mg.cm_2。d)将烘干后的电极背面涂上质量比为5%的聚四氟乙烯作为防水层。一般的SMFC阴极不负载催化剂，与其相比，反应速率可以提高1-2倍。本发明微生物电化学装置在安装时，将本发明的膜电极以及阴极室4都置于土壤层中，其中阳极I与土壤直接接触，阴极2中富含催化剂的一面与隔膜3接触，然后在上层土壤中加入水。水层将阳极I氧化有机物中的质子，通过水溶液传递到阴极2，起到电解液的作用。气孔5要高于水面，与空气直接接触，利用空气中的氧气，使反应速率增快。微生物电化学装置作用时，阳极I附近的厌氧菌，以电极作为电子受体，并不断的刺激土壤中的土著微生物，加速其氧化土壤中秸杆包含的纤维素，产生的电子和质子到达阴极2，在阴极高效催化剂的作用下，以阴极室4的空气中氧气作为电子受体，和阳极I传递过来的质子和电子进行反应，从而在回路中形成电流。而随着阴极氧还原反应的不断进行，从而加速了阳极区微生物降解秸杆的作用。所述土壤层包括土壤和秸杆，秸杆放在土壤中，是模拟秸杆还田中将秸杆放入田地中进行填埋，主要是利用土壤中的微生物来降解秸杆，但土著的微生物降解慢，通过微生物电化学工艺来增强此过程，此外秸杆填埋到土壤中以增强土壤的肥力，以利于土壤的利用。实施例2
本实施例说明利用本发明所述的微生物电化学装置降解秸杆的实验取700 g的土壤来自于林地，并在其中加入混合均匀，且占土壤为1% (W/W)的稻杆，形成土壤层。阴极催化剂的制备过程中，阴极碳毡先浸溃在质量比为5%的HNO3溶液中，90°C处理2h后取出，用去离子水洗至中性。之后将碳纳米管和水按质量比1:1000进行超声混合，得到电解液。将前述配好的电解液加到电解槽中，然后在电极两端加上32V的直流电压，电沉积60 min，电沉积 结束后，把阴极材料取出，在80°C烘干。烘干后的电极背面涂上5%的聚四氟乙烯作为防水层，得到催化剂含量为3mg.cm-2的阴极，并以不含催化剂的阴极作为对照，而阳极I也选择为碳毡，按实施例1所述的安装方法分别构造两种微生物电化学装置，并将其都插入到土壤中，然后再加入200 mL水，形成水层，以利于质子的传递，并使得气孔5露出水面以接触空气，当微生物电化学装置接好100欧姆的外电阻后，在25°C的工作环境中运行，随着时间的进行，其阴极有催化剂的SMFC最大电压可达到580mV (图2所示)，而阴极不含催化剂的SMFC最大电压为510 mV,并且在12天后，前者的运行电压要显著高于后者，在60天后，取出土壤中的稻杆，并测定其上纤维素、半纤维素的降解情况，其结果如图3所示，在阴极没有催化剂的微生物电化学装置作用下，土壤中稻杆所含的纤维素和半纤维素的降解率达到18.4%和14.8%，而在有阴极催化剂的微生物电化学装置作用下，土壤中稻杆所含的纤维素和半纤维素的降解率达到了 33.3%和30.7%，其降解速率是提闻了 2倍左右。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种微生物电化学装置，其特征在于，主要由阳极、阴极、隔膜、阴极室、气孔、电阻、导线组成，其中，阴极与阴极室相连，隔膜位于阴极室和阳极之间，阳极、隔膜、阴极三合一构成膜电极，导线将阳极、阴极以及电阻之间串联成一个回路；所述阴极室和膜电极均埋入土壤层内，土壤层与空气之间设有水层；所述阳极与土壤层内的土壤接触，阴极的一面富含催化剂且该面与所述隔膜相对，所述阴极室与高出水层的且与空气直接接触的气孔相连通。
2.根据权利要求1所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述阴极室为聚氯乙烯、或者硬度为60 95M的塑料材料制成。
3.根据权利要求1所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述阳极为碳毡或者碳布制成；阴极为防水处理富含催化剂的碳布或碳毡制成。
4.根据权利要求1所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述隔膜为阳离子交换膜。
5.根据权利要求1所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述电阻的电阻值为10-1000 欧姆。
6.根据权利要求1所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述富含催化剂的阴极所负载的催化剂为碳纳米管，其负载量为1-5 mg.cm—2。
7.根据权利要求6所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述富含催化剂的阴极利记博彩app为: a)将阴极材料浸溃在质量比为5-10%的HNO3溶液中，60_90°C处理2_4h后取出，用去离子水洗至中性； b)将碳纳米管和水按质量比1:500-1:2000进行超声混合，得到电解液； c)将阴极材料放置到电解槽中，将前述配好的电解液加到电解槽中，然后在电极两端加上20-40V的直流电压，电沉积10-60 min,电沉积结束后，把阴极材料取出，在60_90°C烘干; d)将烘干后的电极背面涂上5%-15%的聚四氟乙烯作为防水层。
8.根据权利要求7所述的微生物电化学装置，其特征在于，所述步骤C)中直流电压为32V。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的微生物电化学装置降解秸杆产电的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: a)把占土壤的质量比为0.2%- 3%秸杆加入到土壤中，形成土壤层； b)将微生物电化学装置加入到土壤层中，其中膜电极位于土壤中，并加入水，形成水层，将膜电极连接于外电阻后启动微生物电化学装置； c)当微生物电化学装置的电压稳定后，以使得产电微生物挂于阳极表面，之后使其电压保持在100- 600 mV，使得秸杆进行降解；当电压低于50 mV时候，降解过程结束。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述秸杆为玉米杆、稻草、豆杆、麦杆中一种或几种。
全文摘要
本发明公开了一种微生物电化学装置，主要由阳极、阴极、隔膜、阴极室、气孔、电阻、导线组成，其中，阴极与阴极室相连，隔膜位于阴极室和阳极之间，阳极、隔膜、阴极三合一构成膜电极，导线将阳极、阴极以及电阻之间串联成一个回路；所述阴极室和膜电极均埋入土壤层内，土壤层与空气之间设有水层；所述阳极与土壤层内的土壤接触，阴极的一面富含催化剂且该面与所述隔膜相对，所述阴极室与高出水层的且与空气直接接触的气孔相连通。本发明还公开了一种利用所述的微生物电化学装置降解秸秆产电的方法。本发明利用土壤中的秸秆来直接产电，避免了焚烧的二次污染，以及运输收集带来的成本。
文档编号H01M8/16GK103219536SQ201310101610
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者宋天顺, 吴夏芫, 周楚新 申请人:南京工业大学