АНОДНЫЙ БИОЭЛЕКТРОД ДЛЯ МИКРОБНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Область техники
Изобретение относится к области техники получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод.
Уровень техники
Из уровня техники известна конструкция анодного электрода (см. Park А.Н, Kim S.K, Shin IH, Jeong YJ. 2000. Electricity production in biofuel cell using modified graphite electrode with neutral red. Biotechnol Lett 22:1301-1304.). В известном решении на графитовую пластину иммобилизируется краситель нейтральный красный. Ковалентная связь образуется между карбоксильной группой графитового анода и амидной группой нейтрального красный, которая активируется с помощью N,N' - дициклогексилкарбодиимида. Нейтральный красный является наиболее эффективным медиатором электронов для биотопливных ячеек по сравнению с другими редокс-медиаторами. Нейтральный красный работает как переносчик электронов через бактериальную мембрану, при этом он устойчив как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Так как окислительно-восстановительный потенциал (Е0) нейтрального красного равен -0,325 В, что соответствует потенциалу Е0=-0,32 В пары NAD+/NADH, восстановление медиатора осуществляется одновременно с окислением NADH до NAD+ в цитоплазме клетки, а его обратное окисление происходит на поверхности электрода при контакте бактериальной клетки.
Недостатком известного анодного электрода является использование сложной химической реакции для иммобилизации медиатора на графитовую пластину, а так же недостаточная электрическая емкость электрода вследствие недостаточной пористости использованного типа углеродного материала.
Известна конструкция анодного электрода, в которой используется графитовая щетка с сердцевиной из титана. Такой тип электрода обеспечивает большую поверхность для адгезии клеток и образования биопленки (см. US 20080292912, публ. 2008 г.)
Недостатком данной конструкции является большой цилиндрический размер щеток, что влияет на параметры биотопливной ячейки, не позволяя сделать ее более компактной. При этом показано, что после вывода биотопливной ячейки на стационарный режим, более 65% анодного материала щетки не участвует в генерации энергии. Однако запуск процесса при использовании щеток, содержащих на 75% меньше волокон, занимает гораздо больше времени. Другим недостатком известного устройства анода является необходимость использовать между катодом и анодной щеткой разделяющей мембраны или сепаратора для избегания короткого замыкания.
Известна конструкция анодного электрода, содержащая гранулы активированного угля, находящиеся в свободном состоянии в объеме анодной зоны и коллектора электричества (см. US 20060147763, публ. 2006 г.). Переход электричества с гранул на коллектор осуществляется в процессе соударения гранул с коллектором в следствии течения жидкой фазы в анодной зоне. Данного типа анодный электрод был реализован в микробной топливной ячейке с восходящим потоком субстрата. Недостатком известного решения является большой объем, занимаемый гранулами угля и небольшой для жидкой фазы. Кроме того, со временем при обрастании гранул активированного угля биопленкой контакт гранулы с коллектором электричества затрудняется, что ведет к снижению токовых характеристик микробного топливного элемента с данным типом анода.
Наиболее близким аналогом, предлагаемой полезной модели является анодный электрод, известный из KR 20030026430, публ. 2003 г. Известный анодный электрод содержит коллектор электричества, на одну из поверхностей, которого посредством электропроводящего клея уложены гранулы активированного угля. Данного типа анодный электрод не предназначен для использования в микробной топливной ячейке, кроме того, уровень вырабатываемого тока невысок.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение уровня тока в микробном топливном элементе при подключении к последнему электрической нагрузки.
Техническим результатом, предлагаемого изобретения является повышение электрической емкости электрода с одновременным снижением внутреннего сопротивления микробного топливного элемента.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что анодный электрод содержит коллектор электричества, на одну из поверхностей, которого посредством электропроводящего клея уложены гранулы активированного угля, при этом коллектор снабжен биопленкой, уложенной на поверхность, содержащей гранулы активированного угля, которые закреплены неподвижно на слое электропроводящего клея без соприкосновения с коллектором, при этом биопленка расположена относительно слоя клея с образованием зазора между ними.
По одному из вариантов полезной модели противоположная к поверхности с гранулами активированного угля поверхность коллектора покрыта дополнительным слоем биопленки.
Предпочтительно если поверхность активированного угля снабжена катализатором.
Целесообразно если поверхность коллектора не содержащая гранул активированного угля снабжена катализатором.
Катализатор может быть нанесен методом физической адсорбции или методом химической модификации поверхности.
Анодный электрод представляет собой многослойную структуру, главным элементом, которого является биопленка электрогенных бактерий, расположенная на части поверхности гранул активированного угля, закрепленных на поверхности коллектора.
Расположение биопленки относительно слоя клея с образованием зазора между ними позволяет образовать единую с коллектором электричества проводящую поверхность, которая объединяет емкости отдельных гранул. Поверхностная плотность заряда на поверхности гранулы активированного угля является величиной ограниченной, но в силу большой поверхности пористого материала, которым являются гранулы активированного угля, полная величина заряда на анодном электроде становится большой, что приводит к значительному увеличению электрической емкости электрода.
Гранулы активированного угля закреплены на слое клея без соприкосновения с коллектором. Таким образом, исключается возможность вымывания гранул угля из реактора, а из-за того, что одна из сторон гранул активированного угля закреплена неподвижно, не происходит полного обхвата гранул угля биопленкой. Таким образом, сохраняется постоянный электрический контакт между гранулами активированного угля и слоем клея, что в свою очередь снижает электрическое сопротивление в системе "гранула-коллектор электричества" из-за отсутствия бактерий на всей поверхности, которые являются диэлектриками.
Для снижения энергетического барьера при передаче электрона из биопленки, расположенной на поверхности гранул угля на коллектор электричества, на пористую структуру гранул активированного угля наносится катализатор методом физической адсорбции. Таким образом, содержание катализатора в предлагаемой конструкции анодного электрода значительно выше, чем при ковалентном связывании, что приводит к интенсификации переноса электронов из биопленки на активированный углерод, а следовательно к росту тока и в целом к увеличению удельной электроемкости анодного электрода.
Для увеличения поверхности биопленки на анодном электроде также используется противоположная поверхность коллектора электричества, которая не содержит гранул активированного угля. Для этого поверхность химически модифицируется с целью ковалентной прошивки катализатора для облегчения процесса переноса электрона из биопленки на коллектор.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен анодный электрод (вид сбоку);
На фиг.2 показана дифференциальная удельная емкость анодного электрода как функция анодного перенапряжения;
На фиг.3 показана динамика изменения во времени тока на микробном топливном элементе в режиме короткозамкнутой цепи.
Осуществление полезной модели
Анодный электрод содержит биопленку 1, коллектор электричества 2, слой проводящего клея 3, гранулы активированного угля 4.
Анодный электрод содержит коллектор электричества 2, на одну из поверхностей которого, посредством электропроводящего клея 3 уложены гранулы активированного угля. Коллектор электричества 2 снабжен биопленкой 1, уложенной на поверхность, содержащей гранулы активированного угля 4. Гранулы активированного угля 4 закреплены неподвижно на слое электропроводящего клея 3 без соприкосновения с коллектором электричества 2. Биопленка 1 располагается относительно слоя проводящего клея 3 с образованием зазора между ними.
Работает предлагаемый анодный электрод в микробном топливном элементе следующим образом.
На поверхности электрогенной биопленки 1 имеются белковые структуры, которые способны передавать электроны на поверхность электрода переходя при этом из восстановленного состояния в окисленное. После этого бактерии электрогенной биопленки 1 переводят белковые структуры в восстановленное состояние. Таким образом, происходит циклический процесс передачи заряда на электрод, до тех пор пока электрод не достигнет потенциала, при котором дальнейшая передача заряда будет термодинамически запрещенной. После передачи заряда внутрь гранулы активированного угля 4, заряд располагается внутри углеродного материала вблизи его поверхности, обращенной к жидкой фазе микробного топливного элемента (на чертеже не указан), поскольку к месту нахождения переданного заряда подходит ион противоположного знака. После достижения анодным электродом равновесного потенциала его соединяют через внешне сопротивление с катодным электродом (на чертеже не указан). При этом отрицательный заряд, находящийся на поверхности гранул активированного угля 4 начинает вначале перетекать на коллектор электричества 2 через объем гранулы активированного угля 4, приклеенной к коллектору электричества 2, который не содержит биопленки. Затем через коллектор электричества 2 электроны через внешнее сопротивление переходят на катодный электрод.
Пример 1.
На фиг.2 приведена дифференциальная удельная емкость анодного электрода как функция анодного перенапряжения полученная методом кулонометрии. Зависимость была получена в 0,1 молярном растворе фосфатного буфера.
Пример 2.
На фиг.3 показан результат теста микробного топливного элемента с использованием предлагаемого анодного электрода, а именно динамика изменения во времени тока на микробном топливном элементе в режиме короткозамкнутой цепи. Кривая получена через 2 месяца после инокуляции.
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в промышленности, в частности, в области получения электричества в процессе биологической очистки сточных вод.