БИОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.
Известен /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г./ биоэлектрохимический элемент, содержащий разделенные между собой посредством протоннообменной мембраны на две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, а в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды выполнены из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter Cerinus ВКМ В-1283.
Также известен биоэлектрохимический элемент на основе не использовавшегося ранее с этой целью штамма GluconobacterOxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель №108217 Н01М 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющий собой биоэлектрохимический элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую. Содержит две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, а в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита). А генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения.
Известен реактор /Патент РФ №2496187 Н01М 8/16 2012 г./, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества. Анодные и катодные зоны, разделенные протоннообменной мембраной, расположены таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Для чего катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора. Анод представляет собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда, образуя четыре поверхности из волокна и четыре внутренних канала для прохождения жидкой фазы, тогда как катод представляет собой воздушный электрод с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.
Недостатками являются низкая генерация электричества и высокая стоимость создания элементов.
Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический элемент /Патент РФ №153593 Н01М 8/16 2015 г./, выполненный в виде ячейки, разделенной протонообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Анод и катод выполнены из карбида кремния, анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть, при этом в верхней части имеется патрубок для аэрации, интенсифицирующей процесс восстановления атомов водорода до воды.
Недостатками являются хрупкость электродов и не однородность карбида кремния, что вызывает образование начального потенциала между катодом и анодом, что вызывает снижение генерации электричества.
Задача предлагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического элемента.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический 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, и имеют токосниматель, отличающийся тем, что анод и катод, в соответствующих камерах, выполнены в виде трубок разного диаметра, вставленные 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.
При производстве электроэнергии в биоэлектрохимическом элементе очень важна хорошая электропроводность, а также стойкость электродов к механическому и химическому воздействию. Основой для создания электродов использовалась медь, поскольку она обладает хорошей токопроводностью, которая для защиты была покрыта никелем. Никель, в свою очередь, обладает хорошей стойкостью к коррозии на воздухе и в жидкостях, в том числе в кислотах и щелочах, при том не обладает токсичностью для микроорганизмов. Углеродная краска была использована для лучшей адгезии микроорганизмов на анод. Увеличение площади поверхности электродов обусловлено многоярусной конструкцией. Электроды представляют собой трубки разного диаметра, которые вставлены друг в друга и жестко сварены, так чтобы между ними имелся небольшой зазор для протекания между ними среды. В центральной трубке имеется пластина, плотно примыкающая к ее внутренним стенкам, и служит токоснимателем и для крепежа электродов в элементе.
Схема биоэлектрохимического элемента представлена на фиг. 1, где а - вид сбоку, б - вид спереди, в - вид сверху, г - вид анода и катода снизу.
Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протонообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - пластина-токосниматель, 8 - металлические прутки, 9 - патрубок для аэрации.
Предложенный биоэлектрохимический элемент 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 закреплены в ячейке 1 посредством токоснимателя 7, выполненного в виде пластины в центральной трубке, соединение трубок между собой и токоснимающей пластиной произведено с помощью приваренных металлических прутков 8. Для аэрации катодной камеры в верхней части катода имеется патрубок 9, который соединен с воздушным компрессором. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с не одинаковыми кислородными условиями (аэробная катодная и анаэробная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.
Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которыми могут выступать, к примеру, коммерческие микробиологические препараты, а также среду и субстрат. В катодную камеру 3 наливают аналогичную среду, погружают в камеры анод 5 и катод 6, герметично закрепив их с помощью токоснимателя 7, подключают аэрацию с помощью патрубка 9. К токоснимателю электродов 7 присоединяется измерительный прибор, например мультиметр, и фиксируются изменения ЭДС и силы тока.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №13.1263.2014/K от 11.07.2014).