Биоэлектрохимическое устройство

Полезная модель относится к техническим устройствам, предназначенным для получения электрической энергии при окислении органических соединений микроорганизмами, и может быть использована для создания маломощных источников тока.
Известен «Микробный топливный элемент и схема сборки таких элементов», работающий при окислении органических веществ с помощью микроорганизмов, состоящий из анодной и катодной камер, содержащих анод и катод соответственно, разделенных ионообменной мембраной и заполненных жидкостью, анодная камера с патрубками содержит водный раствор органических веществ и микроорганизмы, окисляющие органические вещества, катод выполнен воздушным из постоянно увлажняемого материала, для создания жидкостной пленки на поверхности катода, отличающийся тем, что анод и катод выполнены из углеродного войлока, с большой удельной площадью поверхности, причем в аноде выполнены отверстия, катод примыкает непосредственно к ионообменной мембране, при этом анодная камера имеет входной патрубок, расположенный в нижней ее части, и выходной патрубок, расположенный в верхней ее части.
Патент РФ на ПМ №145009, МПК: H01M 8/16; публ. 10.09.2014 г.
Известен «Биоэлектрохимический топливный элемент», выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, при этом анод и катод в соответствующих камерах выполнены из микроканальных пластин, к которым подведен токосниматель.
Патент на ПМ №162308, МПК: H01M 8/16; публ. 10.06.2016 г.
Известен «Биоэлектрохимический элемент», выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, и имеют токосниматель, отличающийся тем, что анод и катод в соответствующих камерах выполнены в виде трубок разного диаметра, вставленных друг в друга так, чтобы между ними имелся зазор для протекания среды, а токосниматель выполнен в виде пластины, плотно примыкающей к стенкам центральной трубки, причем трубки между собой и токосниматель жестко зафиксированы приваренными металлическими прутками, при этом все элементы выполнены из меди, покрытой никелем, поверх которого нанесен слой углеродной краски.
Патент на ПМ №170868, МПК: H01M 8/16; публ. 11.05.2017 г.
Известен «Электродиализатор», включающий основные торцевые электроды, дополнительные внутренние электроды, разделяющие электродиализатор на секции, установленные между электродами чередующиеся разноименные ионоселективные мембраны, сепараторные прокладки, в которых выполнено не менее трех отверстий для трактов подачи исходного раствора и удаления продуктов обессоливания, патрубки ввода исходного раствора и вывода продуктов электродиализа, в центре каждой секции электродиализатора установлена водонепроницаемая перегородка из неэлектропроводного материала с двумя отверстиями для трактов.
Патент на изобретение №2234359, МКИ: B01D 61/50, д. публ. 18.08.2004 г.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Биоэлектрохимический реактор», 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.
Патент на изобретение РФ №2496187, МПК: H01M 8/16; публ. 2013.10.20.
К техническому результату относится повышение эффективности работы устройства за счет повышения генерации электроэнергии, кроме того, за счет интенсификации утилизации компонентов сточных вод.
Технический результат достигается благодаря тому, что биоэлектрохимическое устройство содержит секционированную емкость в виде горизонтально-ориентированного прямоугольного параллепипеда, включающего анодную и катодную камеры, в которых размещены электроды. Анодная камера выполнена герметичной и снабжена двумя держателями, расположенными вдоль передней и задней внутренних стенок анодной камеры, каждый из которых выполнен из трех горизонтально ориентированных пластин, расположенных друг над другом и служащих направляющими для трех лотков, каждый из которых снабжен одним анодным электродом. Лотки выполнены в виде прямоугольных ящичков и с возможностью перемещения по направляющим. Лотки с электродами и активным илом, содержащим колонию бактерий, расположены в анодной камере, заполненной субстратом в виде органических соединений сточных вод. При этом катодная камера снабжена латунным электродом и заполнена дистиллированной водой. Ионообменная мембрана, разделяющая анодную и катодную часть камеры, снабжена резиновыми прокладками с отверстиями, служащими для регулирования объема открытой зоны ионообменной мембраны. Наконец анодная камера выполнена с тремя отверстиями на верхней крышке, снабженными шаровыми кранами, одно из которых служит для заливки субстрата, а два других, расположенных диагонально, служат одно для продувки азотом для обеспечения анаэробных условий бактерий, а другое для вывода атмосферного воздуха через гидрозатвор. При этом боковая стенка анодной камеры также снабжена отверстием с шаровым краном, служащим для слива субстрата. Каждый электрод снабжен токоснимателем, соединяющим его с помощью кабеля с коробкой для генерации полученной электроэнергии.
Биоэлектрохимическое устройство поясняется чертежом на Фиг. 1, 2, 3.
Фиг. 1 - биоэлектрохимическое устройство - общая схема;
Фиг. 2 - биоэлектрохимическое устройство (схема расположения отверстий на верхней крышке);
Фиг. 3 – биоэлектрохимическое устройство (схема расположения отверстия для слива субстрата на боковой стенке).
Согласно Фиг. 1, 2 и 3 биоэлектрохимическое устройство содержит анодную камеру 1, катодную камеру 2, расположенную между камерами ионообменную мембрану 3, снабженную резиновыми прокладками 4 с отверстиями, служащими для регулирования объема открытой зоны ионообменной мембраны 3 и подложками для прокладок 5. Анодная камера 1 выполнена герметичной и снабжена двумя держателями 6, расположенными вдоль передней и задней внутренних стенок анодной камеры 1. Каждый держатель 6 выполнен из трех горизонтально ориентированных пластин, расположенных друг над другом и служащих направляющими для лотков 7 с анодными электродами 8, при этом три анодных 8 графитовых электрода устанавливают каждый в своем лотке 7, который выполнен в виде прямоугольного ящичка и с возможностью перемещения по направляющим 6, причем в лотки 7 с электродами 8 заливают активный ил, содержащий колонию бактерий. Катодная камера 2 снабжена электродом 9, выполненным из латуни, и заполнена дистиллированной водой. Анодная камера 1 выполнена с тремя отверстиями на верхней крышке, снабженными шаровыми кранами, одно из которых 10 служит для заливки субстрата в виде органических соединений сточных вод, а два других, расположенных диагонально, служат одно 11 для продувки азотом для обеспечения анаэробных условий бактерий, а другое для вывода атмосферного воздуха 12 через гидрозатвор, при этом боковая стенка анодной камеры также снабжена отверстием 13 с шаровым краном, служащим для слива субстрата.
Биоэлектрохимическое устройство работает следующим образом: в лотки 7 помещают электроды 8, затем в них помещают активный ил, содержащий колонию бактерий, и по направляющим 6 вставляют в анодную камеру 1, затем в анодную камеру через отверстие 10 с шаровым краном заливают субстрат в виде органических соединений сточных вод. Затем производится продувка азотом через отверстие 11. Отвод атмосферного воздуха с примесью азота осуществляется через гидрозатвор и отверстие 12.
После загрузки напряжение составило 0,2 В, а сила тока 0,8 мкА.
Спустя 4 дня напряжение выросло до 0,5 В, а сила тока до 1,3 мкА.
Предложенное в качестве полезной модели устройство позволяет повысить эффективность работы устройства за счет повышения генерации электроэнергии, кроме того, за счет интенсификации утилизации компонентов сточных вод.