一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置

1.本实用新型涉及微生物燃料电池装置领域，特别是涉及一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，用于实验室中利用微生物燃料电池同时发电和去除/降解土壤污染物的相关实验。


背景技术：

2.微生物燃料电池(microbial fuel cell，mfc)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极电极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过离子交换膜传递到阴极，氧化剂(如氧气)在阴极得到电子被还原。mfc可以去除多种污染物，包括难降解有机物、重金属和非金属无机物，可用于废水处理、土壤和湿地修复、天然水和地下水修复等。与其他传统的物理、化学和生物工艺相比，mfc的成本低、产生可再生能源且无二次污染，在合适的条件下，其污染物去除效率也很高，是一种很有前景的环境修复技术。有5种常见的不同结构的mfc：(1)单室mfc；(2)h型双室mfc；(3)立方体双室mfc；(4)smfc(沉积物mfc)；(5)堆叠mfc。单室mfc结构十分简单，内阻低，但实验用途十分有限。
3.对于需要双室微生物燃料电池(mfc)装置的实验，目前市场上可以购买到各种容量的h型mfc，这种mfc的两室通常为单臂细口玻璃瓶，连接处有凹槽，凹槽中放上垫圈并将膜放置于中间后用钢夹夹紧，这种结构很不稳定，实验过程中稍有不慎将导致两室连接处漏水，直接造成实验失败，特别是涉及到土壤或固体的实验，进样、取样很不方便，对装置的扰动很大，很容易造成漏水。而可以购买到的立方体双室mfc的体积普遍很小，单室最大只有约300ml，且价格昂贵。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，为大幅提高装置的稳定性，使立方体双室mfc连接处几乎不受一般外力的影响，同时满足一些实验周期长、取样频繁、取样量多的实验的需求，提供一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，能够实现单室体积约500ml的立方体双室mfc。也可以根据具体实验需求设置装置的体积。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，包括两个相同体积的立方体腔室，两个立方体腔室之间对接有透明橡胶垫，透明橡胶垫和两个立方体腔室的对接板上均设有矩形开孔，透明橡胶垫的矩形开孔上覆盖有离子交换膜；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫均为相同的矩形结构，且大于立方体腔室单面的面积；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫的四周相对称的均匀设置有螺纹孔；两个立方体腔室的对接板对接后通过螺栓和螺母紧固；每个立方体腔室的顶部均设有带有电极口的盖板，其中一个立方体腔室的侧壁上设有一个取样口a，另一个立方体腔室的侧壁上从上到下设有取样口b和取
样口c。
7.进一步的，所述立方体腔室的体积为8
×8×
8cm3。
8.进一步的，所述矩形开孔的面积为5.5
×
5.5cm2，离子交换膜的面积为7
×
7cm2。
9.进一步的，所述离子交换膜为质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。
10.进一步的，取样口a、取样口b、取样口c的内径为0.8cm，外径为1cm。
11.进一步的，取样口b距立方体腔室顶部2/5处，取样口b打开后可放掉40％的液体。
12.进一步的，与对接板相对的侧板底部与对接板底部等长，以保持装置平衡。
13.与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：
14.1.本实用新型双室微生物燃料电池装置用离子交换膜将阴极室和阳极室隔开，虽然增加了电池系统的内阻，但保证了阳极电子供体和阴极电子受体在空间上的独立性，使两室互不影响，可以单独调节两室的不同初始条件，如ph值、底物浓度等，极大地优化了实验条件，增加了可研究的方向，拓宽了研究变量的范围。
15.2.本实用新型双室微生物燃料电池装置较h型微生物燃料电池增大了离子交换膜相对于装置的面积，这将在实验中大幅提高两室离子的交换速率，进而提高电化学反应的速率，取得更好的污染物去除效果。
16.3.本实用新型双室微生物燃料电池装置结构牢固稳定，方便实验操作，制造成本低廉，孔洞大小和位置可灵活调整，适用于多种类型的微生物燃料电池实验，为利用微生物燃料电池处理污染水、土壤、污泥等并同时进行发电的实验研究提供了合适装置。
附图说明
17.图1是本实用新型双室微生物燃料电池装置的爆炸结构示意图。
18.图2是本实用新型双室微生物燃料电池装置的应用状态示意图。
19.附图标记：1-盖板，2-取样口，3-腔室侧板，4-电极口，5-螺栓，6-离子交换膜，7-透明橡胶垫，8-螺纹孔，9-矩形开孔。
具体实施方式
20.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
21.本实用新型提供一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其制造材料为无色透明有机玻璃，有机玻璃具有比重小，强度大，化学稳定性好，绝缘性能好，易加工等优点。装置主体由阴极室、阳极室、橡胶垫和离子交换膜四部分构成。阴极室、阳极室为两个体积为8
×8×
8cm3的立方体腔室，两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫均为相同的矩形结构，且大于立方体腔室单面的面积；使立方体腔室的对接面扩大，与对接板相对的腔室侧板3在底部加长，以保持装置平衡。与对接板相同尺寸的透明橡胶垫7夹在中间，对接面、透明橡胶垫7均在正中央开5.5
×
5.5cm2矩形开孔9，将7
×
7cm2的离子交换膜覆盖在橡胶垫与对接面的矩形开孔9上。
22.两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫的四周相对称的均匀设置有12个螺纹孔8，对齐后用螺栓5和螺母紧固，将两个腔室连接起来。这种常见的法兰结构十分牢固，中间的透明橡胶垫7可保证不漏水，在两腔室间形成了严密的离子交换通道，并且相对于h型mfc
极大的缩短了两室的距离。考虑到有些实验中涉及到土壤、污泥或其他固体，例如要去除土壤或污泥中的重金属，阴极室需要方便填充、搅拌和取样等实验操作，阳极室也可能要加入厌氧污泥，因此给腔室加盖板1，既可以保持密闭，又方便实验操作。因常见导线的两头有宽度约1.5cm的夹子，在盖板中央打直径为2cm的电极口，导线穿入后用圆形橡胶垫片盖住电极口。三个取样口2的内径0.8cm，外径1cm，其中一腔室的侧边开两个，分别位于腔室底部和距顶部2/5处，距顶部2/5孔打开后可放掉40％的液体，为一些需要定期更新阳极液或阴极液的实验提供方便。可根据具体需求更改孔的位置。
23.本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，包括两个相同体积的立方体腔室，两个立方体腔室之间对接有透明橡胶垫，透明橡胶垫和两个立方体腔室的对接板上均设有矩形开孔，透明橡胶垫的矩形开孔上覆盖有离子交换膜；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫均为相同的矩形结构，且大于立方体腔室单面的面积；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫的四周相对称的均匀设置有螺纹孔；两个立方体腔室的对接板对接后通过螺栓和螺母紧固；每个立方体腔室的顶部均设有带有电极口的盖板，其中一个立方体腔室的侧壁上设有一个取样口a，另一个立方体腔室的侧壁上从上到下设有取样口b和取样口c。2.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，所述立方体腔室的体积为8
×8×
8cm3。3.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，所述矩形开孔的面积为5.5
×
5.5cm2，离子交换膜的面积为7
×
7cm2。4.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，所述离子交换膜为质子交换膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜。5.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，取样口a、取样口b、取样口c的内径为0.8cm，外径为1cm。6.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，取样口b距立方体腔室顶部2/5处，取样口b打开后可放掉40％的液体。7.根据权利要求1所述一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，其特征在于，与对接板相对的侧板底部与对接板底部等长，以保持装置平衡。

技术总结
本实用新型公开一种降解土壤污染物的立方体双室微生物燃料电池装置，包括两个相同体积的立方体腔室，两个立方体腔室之间对接有透明橡胶垫，透明橡胶垫和两个立方体腔室的对接板上均设有矩形开孔，透明橡胶垫的矩形开孔上覆盖有离子交换膜；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫均为相同的矩形结构，且大于立方体腔室单面的面积；两个立方体腔室的对接板和透明橡胶垫的四周相对称的均匀设置有螺纹孔；两个立方体腔室的对接板对接后通过螺栓和螺母紧固；每个立方体腔室的顶部均设有带有电极口的盖板，其中一个立方体腔室的侧壁上设有一个取样口A，另一个立方体腔室的侧壁上从上到下设有取样口B和取样口C。设有取样口B和取样口C。设有取样口B和取样口C。


技术研发人员：吴卿 刘洁琼 莫文君 彭森
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/5/25