JP6949324B2 - Microbial fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池に関する。 The present invention relates to a microbial fuel cell that extracts electrical energy from wastewater containing organic pollutants.
一般的に、微生物燃料電池では、電極(アノード)上に嫌気性微生物膜を生成し、嫌気性微生物が有機汚染物質を分解する過程で生じる電子をアノードに集めて外部回路に取り出す。この取り出された電子は外部回路を経由して対電極であるカソードに移動する。そして、カソードに移動した電子が、電子受容体である酸素分子および水素イオンと反応して水を生成する。 Generally, in a microbial fuel cell, an anaerobic microbial film is formed on an electrode (anode), and electrons generated in the process of anaerobic microorganisms decomposing organic pollutants are collected in the anode and taken out to an external circuit. The extracted electrons move to the cathode, which is a counter electrode, via an external circuit. Then, the electrons transferred to the cathode react with oxygen molecules and hydrogen ions, which are electron acceptors, to generate water.
アノードとカソードとは、例えばイオン交換膜等の隔膜によって分離されており、嫌気性微生物の有機汚染物質分解過程で生成した水素イオンがアノード側からカソード側へ隔膜を透過して移動することにより、電気回路が構成される。 The anode and cathode are separated by a diaphragm such as an ion exchange membrane, and hydrogen ions generated in the process of decomposing organic contaminants of anaerobic microorganisms move from the anode side to the cathode side through the diaphragm. An electric circuit is constructed.
このような微生物燃料電池には、水中に没したカソードを有する二室型と、空気中に曝したカソード(エアカソード)を有する一室型とがある。 Such a microbial fuel cell includes a two-chamber type having a cathode submerged in water and a one-chamber type having a cathode (air cathode) exposed to air.
二室型では、酸素供給のために曝気が必要であるという欠点があるため、一般的には一室型が実用上有利であると考えられ、研究開発も進められている。 Since the two-chamber type has a drawback that aeration is required to supply oxygen, it is generally considered that the one-chamber type is practically advantageous, and research and development are also underway.
微生物燃料電池の発電効率に影響する因子は種々考えられるが、影響因子の1つとしてカソード反応がある。 Various factors that affect the power generation efficiency of a microbial fuel cell can be considered, and one of the influencing factors is the cathode reaction.
一室型の微生物燃料電池は、カソード反応における酸素供給を促進させることができるという利点があるが、アノード室とカソードとを隔てるイオン交換膜のアノード室側に水圧がかかるのに対し、カソード側には水圧がかからないため、イオン交換膜自体がアノード室側からの水圧を支えることになり、大型化が困難であった。 The one-chamber type microbial fuel cell has an advantage that oxygen supply in the cathode reaction can be promoted, but water pressure is applied to the anode chamber side of the ion exchange membrane that separates the anode chamber and the cathode, whereas the cathode side. Since no water pressure is applied to the water pressure, the ion exchange membrane itself supports the water pressure from the anode chamber side, and it is difficult to increase the size.
一方、二室型の微生物燃料電池では、イオン交換膜の両面に水圧がかかるため、強度の高いイオン交換膜を用いる必要がなく、システムを大型化しやすいという利点があるが、カソードへの酸素の供給が溶存酸素によるため、溶存酸素の飽和溶解度の制限により、電子受容体である溶存酸素濃度を高めることが困難であり、結果的にカソード反応が発電効率を低下させる要因となっていた。 On the other hand, in the two-chamber type microbial fuel cell, since water pressure is applied to both sides of the ion exchange membrane, there is no need to use a high-strength ion exchange membrane, and there is an advantage that the system can be easily enlarged. Since the supply is by dissolved oxygen, it is difficult to increase the concentration of dissolved oxygen, which is an electron acceptor, due to the limitation of the saturated solubility of dissolved oxygen, and as a result, the cathode reaction has been a factor of lowering the power generation efficiency.
そこで、例えば特許文献1に示すように、カソード溶液における電子受容体として鉄(III)イオンを用い、かつ、pH中性付近での溶解度を向上させるために鉄(III)キレート化合物を用いることで、カソード溶液の電子受容体濃度を高濃度化する技術が知られている。 Therefore, for example, as shown in Patent Document 1, iron (III) ions are used as electron acceptors in the cathode solution, and iron (III) chelate compounds are used to improve the solubility near neutral pH. , A technique for increasing the electron acceptor concentration of the cathode solution is known.
この特許文献1の微生物燃料電池では、電子受容後、鉄(III)キレート化合物は、鉄(II)キレート化合物に変化するため、その鉄(II)キレート化合物を散水ろ床型鉄酸化槽である酸化装置を用いて、Fe2+−EDTA+0.25O2+H+→Fe3+−EDTA+0.5H2Oの式で示すように反応させ、鉄(III)キレート化合物に変換して、再利用している。 In the microbial fuel cell of Patent Document 1, since the iron (III) chelate compound is changed to the iron (II) chelate compound after electron acceptance, the iron (II) chelate compound is sprinkled in a filter bed type iron oxide tank. with oxidizer, reacted as shown by the equation Fe 2+ -EDTA + 0.25O 2 + H + → Fe 3+ -EDTA + 0.5H 2 O, is converted into iron (III) chelate compounds are reused.
上述の特許文献1の構成では、長期にわたって運転した場合に、上記の式で示すように、鉄(II)キレート化合物から鉄(III)キレート化合物に変換する際に水素イオン(H+)が消費されるため、例えば酸性のpH調整液をカソード溶液に供給する等して、変換の際に消費されたH+をカソード溶液に随時供給する必要があった。 In the configuration of Patent Document 1 described above, hydrogen ions (H + ) are consumed when converting an iron (II) chelate compound to an iron (III) chelate compound, as shown by the above formula, when the compound is operated for a long period of time. Therefore, it is necessary to supply the H + consumed during the conversion to the cathode solution at any time, for example, by supplying an acidic pH adjusting solution to the cathode solution.
しかし、その際に酸に含まれる陰イオン(塩)がカソード溶液中に蓄積して、発電効率が徐々に低下するという問題が存在した。 However, at that time, there is a problem that anions (salts) contained in the acid are accumulated in the cathode solution and the power generation efficiency is gradually lowered.
そこで、カソード溶液中に陰イオンが蓄積しにくく、長期にわたって安定して運転可能な微生物燃料電池が求められていた。 Therefore, there has been a demand for a microbial fuel cell in which anions are less likely to accumulate in the cathode solution and can be operated stably for a long period of time.
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能な微生物燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a microbial fuel cell which can prevent the accumulation of anions in a cathode solution and can operate stably for a long period of time.
請求項1に記載された微生物燃料電池は、有機汚染物質を含有する排水から電気エネルギーを取り出す微生物燃料電池であって、アノードを前記排水に浸漬したアノード室と、カソードをカソード溶液に浸漬したカソード室と、これらアノード室とカソード室との間に位置し前記アノード室側から前記カソード室側へ陽イオンを透過可能な隔膜とを有する燃料電池本体と、前記カソード室のカソード溶液中の鉄イオンを2価から3価に酸化する酸化装置と、この酸化装置で鉄イオンを酸化したカソード溶液を貯留するカソード溶液貯留部を有し、このカソード溶液貯留部から前記カソード室へカソード溶液を循環する循環手段と、前記カソード溶液貯留部のカソード溶液へ水素イオンを供給する水素イオン供給手段とを具備し、前記水素イオン供給手段は、カソード溶液および酸溶液が供給され陽イオン交換膜によって前記酸溶液の水素イオンを前記カソード溶液のpHが6以上9以下となるように前記カソード溶液へ供給する拡散透析セルを有するものである。 The microbial fuel cell according to claim 1 is a microbial fuel cell that extracts electric energy from wastewater containing an organic pollutant, and has an anode chamber in which the anode is immersed in the wastewater and a cathode in which the cathode is immersed in a cathode solution. A fuel cell body having a chamber, a diaphragm located between the anode chamber and the cathode chamber and capable of transmitting cations from the anode chamber side to the cathode chamber side, and iron ions in the cathode solution of the cathode chamber. It has an oxidizer that oxidizes from divalent to trivalent, and a cathode solution storage unit that stores the cathode solution that oxidizes iron ions by this oxidizer, and circulates the cathode solution from this cathode solution storage unit to the cathode chamber. The circulation means and the hydrogen ion supply means for supplying hydrogen ions to the cathode solution of the cathode solution storage portion are provided, and the hydrogen ion supply means is supplied with the cathode solution and the acid solution, and the acid solution is provided by a cation exchange membrane. It has a diffusion dialysis cell that supplies the hydrogen ions of the above to the cathode solution so that the pH of the cathode solution is 6 or more and 9 or less.
請求項2に記載された微生物燃料電池は、請求項1記載の微生物燃料電池において、水素イオン供給手段は、拡散透析セルと、この拡散透析セルへ酸溶液を供給する酸溶液供給部とを有し、前記酸溶液供給部は、前記酸溶液を貯留する酸溶液貯留部と、余剰な酸溶液を前記拡散透析セルから前記酸溶液貯留部へ排出するための排出部とを有するものである。
The microbial fuel cell according to
請求項3に記載された微生物燃料電池は、請求項1または2記載の微生物燃料電池において、拡散透析セルは、カソード溶液が通過するカソード溶液フローセルと、酸溶液が通過する酸溶液フローセルと、これらカソード溶液フローセルと酸溶液フローセルとの間に位置し前記酸溶液フローセル側から前記カソード溶液フローセル側へ陽イオンを透過可能な陽イオン交換膜とを有するものである。
The microbial fuel cell according to claim 3 is the microbial fuel cell according to
請求項4に記載された微生物燃料電池は、請求項1ないし3いずれか一記載の微生物燃料電池において、水素イオン供給手段は、カソード溶液貯留部のカソード溶液のpHを計測するpH計測手段と、このpH計測手段の計測結果に応じて拡散透析セルへの前記カソード溶液および酸溶液の供給状態を調整する供給調整手段とを有し、前記供給調整手段は、前記カソード溶液のpHが6以上9以下の所定の値より高い場合には前記拡散透析セルへ前記カソード溶液および前記酸溶液を供給し、前記カソード溶液のpHが6以上9以下の所定の値より低い場合には前記拡散透析セルへの前記カソード溶液および前記酸溶液の少なくとも一方の供給を停止し、供給停止した溶液を前記拡散透析セルから排出するものである。
The microbial fuel cell according to
本発明によれば、水素イオン供給手段が、陽イオン交換膜を用いて酸溶液の水素イオンをカソード溶液へ供給する拡散透析セルを有するため、カソード溶液中の陰イオンの蓄積を防止でき、長期にわたって安定して運転可能である。 According to the present invention, since the hydrogen ion supply means has a diffusion dialysis cell that supplies hydrogen ions of the acid solution to the cathode solution using a cation exchange membrane, it is possible to prevent the accumulation of anions in the cathode solution for a long period of time. It can be operated stably over the years.
以下、本発明の一実施の形態の構成について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1において、1は微生物燃料電池であり、この微生物燃料電池1は、燃料電池本体2に排水供給ポンプ3を介して供給した有機汚染物質を含有する排水W1から、電気エネルギーを取り出すものである。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a microbial fuel cell, which extracts electrical energy from a wastewater W1 containing an organic pollutant supplied to a
微生物燃料電池1は、排水供給ポンプ3を介して供給した排水W1に一方の電極であるアノード4を浸漬したアノード室5と、カソード溶液W2に他方の電極であるカソード6を浸漬したカソード室7と、これらアノード室5とカソード室7との間に位置しアノード室5側からカソード室7側へ陽イオンを透過可能な隔膜としての陽イオン交換膜8とを備える、いわゆる二室型の構成である。
The microbial fuel cell 1 has an
アノード4は、導電性部材にて板状に形成しており、アノード室5を満たすように収容された排水W1に浸漬した状態で、一方側の面が陽イオン交換膜8に接触し、他方側の面が排水W1を収容するアノード室5の内面の一部となるように設置する。
The
また、アノード4の他方側の面には、排水W1に含有する有機汚染物質を嫌気分解する図示しない嫌気性微生物膜を形成する。この嫌気性微生物膜は、各種の嫌気性微生物を担持し、排水W1中の有機汚染物質を分解する。
Further, on the other side surface of the
カソード6は、導電性部材にて板状に形成しており、カソード室7を満たすように収容されたカソード溶液W2に浸漬した状態で、一方側の面が陽イオン交換膜8に接触し、他方側の面がカソード溶液W2を収容するカソード室7の内面の一部となるように設置する。
The
カソード溶液W2は、3価の鉄イオンと配位座が4座以上のカルボン酸系キレート剤とを含む溶液である。カソード溶液W2におけるカルボン酸系キレート剤は、3価の鉄イオンと結合してキレート化合物を形成する。また、形成されたキレート化合物が陽イオン交換膜を介してアノード室5側に漏出することを防止するために、カソード溶液W2におけるカルボン酸系キレート剤は、配位座が4座以上であることが好ましく、特にエチレンジアミン四酢酸(EDTA)であることが好ましい。また、カソード溶液W2のpHは、9以下となるように制御することが好ましい。
The cathode solution W2 is a solution containing trivalent iron ions and a carboxylic acid chelating agent having four or more coordination loci. The carboxylic acid-based chelating agent in the cathode solution W2 combines with trivalent iron ions to form a chelating compound. Further, in order to prevent the formed chelate compound from leaking to the
なお、カソード室7では、カソード溶液W2にカソード6が浸漬している必要があるため、例えば上向流式や流路構造等のようにカソード溶液W2が短絡しない構成とする。
In the
これらアノード4およびカソード6は、外部回路11に電気的に接続している。なお、外部回路11としては、任意の回路を接続できる。
The
そして、アノード室5において排水W1の有機汚染物質を嫌気分解する過程で生じた電子をアノード4に集電する。集電した電子はアノード4から外部回路11を通ってカソード6へ移動する。また、有機汚染物質を嫌気分解する過程で生じた水素イオンは、陽イオン交換膜8を透過してカソード室7側へ移動する。
Then, in the
カソード室7では、カソード溶液W2中の3価の鉄イオン(鉄(III)イオン)が外部回路11を介して移動した電子を受け取り、2価の鉄イオン(鉄(II)イオン)になる。
In the
ここで、カソード室7で生成した2価の鉄イオンは、カソード反応に寄与しないため、カソード室7における電子受容体濃度を低下させないように、カソード溶液供給手段12により、3価の鉄イオンを含んだ状態のカソード溶液W2を連続供給する。
Here, since the divalent iron ions generated in the
カソード溶液供給手段12は、カソード室7からカソード反応が進行した後のカソード溶液である流出液W3を導入して液中の2価の鉄イオンを酸化する酸化装置13と、酸化装置13で2価の鉄イオンを酸化した3価の鉄イオンを含有するカソード溶液W2をカソード室7へ循環する循環手段14とを有している。
The cathode solution supply means 12 introduces the outflow liquid W3, which is the cathode solution after the cathode reaction has proceeded from the
酸化装置13は、カソード室7に接続した筒状の酸化装置本体としての酸化槽15内に、流出液W3を表面張力等で保持可能な粒状の充填体16を充填して形成したろ床層17を有する。
The
また、酸化槽15上部の流入口を通って、カソード室7からの流出液W3が酸化槽15内へ流入する。
Further, the outflow liquid W3 from the
さらに、酸化槽15下部の流出口を通って、酸化槽15で酸化したカソード溶液W2が酸化槽15から流出する。
Further, the cathode solution W2 oxidized in the
そして、酸化装置13では、カソード室7からの流出液W3を流入口から滴下し、この流出液W3が充填体16を伝うように保持されながらろ床層17を下方へ流下する。また、ろ床層17を通過する際には大気中の酸素によって酸化反応が起こり、流出液W3中の鉄イオンが2価から3価へ酸化される。すなわち、酸化槽15のろ床層17では、4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH−の式で示す酸化反応が進行する。また、このようにろ床層17を通過して鉄イオンが3価に酸化したカソード溶液W2は流出口から流出して循環手段14へ流入する。
Then, in the oxidizing
なお、カソード室7からの流出液W3の酸化槽15への散水負荷の下限値は、散水負荷の低負荷条件で実用化されている標準散水ろ床法の適用条件に基づいて決定することが好ましい。すなわち、標準散水ろ床法の散水負荷は、1〜3m3/m2・日であり、通常のろ床厚は1.5〜2mである。よって、ろ床厚を2mとすると、ろ床の容積1m3あたりの散水負荷は、0.5〜1.5m3/m3・日となるため、その下限値を適用することが好ましい。
The lower limit of the watering load of the effluent W3 from the
一方、散水負荷の上昇に伴い、キレート剤の異なる全てのカソード溶液において酸化効率が徐々に低下するため、実用的な散水負荷の上限値としては、40m3/m3・日が好ましい。 On the other hand, as the watering load increases, the oxidation efficiency gradually decreases in all cathode solutions having different chelating agents. Therefore, the upper limit of the practical watering load is preferably 40 m 3 / m 3 days.
よって、具体的な酸化槽15への散水負荷は、ろ床層17の容積1m3あたり0.5m3/m3・日以上40m3/m3・日以下が好ましい。
Therefore, the specific watering load on the
循環手段14は、酸化槽15から流出口を通って流出する酸化後のカソード溶液W2を貯留するタンクであるカソード溶液貯留部18と、このカソード溶液貯留部18のカソード溶液W2をカソード室7へ供給するカソード溶液供給ポンプ19とを有している。
The circulation means 14 transfers the cathode
そして、酸化装置13からのカソード溶液W2は、カソード溶液貯留部18に一旦貯留し、カソード溶液供給ポンプ19によってカソード室7へ所定量ずつ連続供給する。
Then, the cathode solution W2 from the oxidizing
ここで、酸化槽15における酸化反応では、水酸化物イオンも生成するため、酸化槽15からカソード溶液貯留部18へカソード溶液W2を供給すると、カソード溶液貯留部18中に水酸化物イオンが増加しカソード溶液W2のpHが徐々に上昇する。
Here, since hydroxide ions are also generated in the oxidation reaction in the
そこで、微生物燃料電池1には、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2へ水素イオンのみを供給することにより、カソード溶液W2の水酸化物イオンによるpHの上昇を防止し、かつ、上記反応によるカソード溶液貯留部18での陰イオンの蓄積を防止する水素イオン供給手段21が設けられている。
Therefore, by supplying only hydrogen ions to the cathode solution W2 of the cathode
水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18からのカソード溶液W2に、酸溶液供給部22からの塩酸等の酸溶液W4の水素イオンを選択的に供給する拡散透析セル23を有している。
The hydrogen ion supply means 21 has a
拡散透析セル23は、カソード溶液W2が通過するカソード溶液フローセル24と、酸溶液W4が通過する酸溶液フローセル25と、これらカソード溶液フローセル24と酸溶液フローセル25との間に位置し酸溶液フローセル25側からカソード溶液フローセル24側へ陽イオンを選択的に透過可能な陽イオン交換膜26とを有している。
The
そして、例えばチューブポンプ等であるポンプ27の駆動によってカソード溶液W2および酸溶液W4が拡散透析セル23に供給され、カソード溶液W2がカソード溶液フローセル24を通過し、酸溶液W4が酸溶液フローセル25を通過する際に、酸溶液W4の水素イオンが陽イオン交換膜26を透過(拡散移動)してカソード溶液W2に供給される。また、水素イオンが供給されたカソード溶液W2は、カソード溶液貯留部18へ返送され、カソード溶液貯留部18内のカソード溶液W2は撹拌機28によって撹拌されている。
Then, the cathode solution W2 and the acid solution W4 are supplied to the
ここで、水素イオン供給手段21は、長期運転におけるカソード溶液貯留部18での陰イオンの蓄積を抑制しカソード溶液W2のpHの上昇を防止することを目的としたものであるため、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHに応じて運用することが好ましい。
Here, since the hydrogen ion supply means 21 is intended to suppress the accumulation of anions in the cathode
そこで、水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHを計測する図示しないpH計測手段と、このpH計測手段で計測したpHにより拡散透析セルへのカソード溶液W2および酸溶液W4の供給状態を調整する図示しない供給調整手段としての制御部とを有している。
Therefore, the hydrogen ion supply means 21 includes a pH measuring means (not shown) for measuring the pH of the cathode solution W2 in the cathode
また、酸溶液供給部22は、酸溶液W4を貯留する酸溶液貯留部31と、余剰な酸溶液W4を拡散透析セル23から酸溶液貯留部31へ排出するための排出部32とを有している。
Further, the acid
排出部32は、ポンプ27と酸溶液フローセル25との間に設けられた経路切替手段としての三方電磁弁33と、この三方電磁弁33を介して酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31へ酸溶液を排出するための経路となる排出ライン34とを有している。
The
そして、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHが所定の値(例えばpH7)より高い場合には、供給調整手段は、図1に示すように、制御部によって三方電磁弁33を制御し、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を開通し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を閉塞した供給状態とする。この供給状態では、ポンプ27が稼動し、拡散透析セル23にカソード溶液W2および酸溶液W4の両方を供給するため、陽イオン交換膜26を介して酸溶液W4からカソード溶液W2へ水素イオンが供給され、その水素イオンが供給されたカソード溶液W2をカソード溶液貯留部18へ返送することで、pHが低下する。
Then, when the pH of the cathode solution W2 of the cathode
一方、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHが所定の値(例えばpH7)より低い場合には、供給調整手段は、図2に示すように、制御部によって三方電磁弁33を制御し、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を閉塞し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を開通した排出状態とする。すなわち、排出状態では、ポンプ27が停止し、酸溶液フローセル25への酸溶液W4の供給が停止されるとともに、酸溶液フローセル25内に残存した酸溶液W4を重力によって排出ライン34を通って酸溶液貯留部31へ排出する。
On the other hand, when the pH of the cathode solution W2 of the cathode
また、このような排出状態では、酸溶液フローセル25内への酸溶液W4が排出されるため、pHが所定の値より低くなったカソード溶液W2に対して酸溶液W4からの過剰な水素イオンの供給が遮断される。
Further, in such a discharge state, the acid solution W4 is discharged into the acid
なお、拡散透析セル23への供給状態を切り替える基準となる上記pHの所定の値としては、カソード溶液W2からアノード室5への水素イオンの逆拡散防止の観点からpHが酸性に偏るのが不適切であること、および、鉄イオンの水酸化物沈殿生成抑制の観点からpHがアルカリ性に偏るのが不適切であることから、6.0以上9.0以下の範囲が好ましく、7.0に近いほどより好ましい。
It should be noted that the predetermined value of the above pH, which serves as a reference for switching the supply state to the
供給調整手段は、上述のようにカソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHが所定の値より低い場合に拡散透析セル23へ酸溶液W4の供給を停止する構成には限定されず、拡散透析セル23へのカソード溶液W2の供給を停止する構成や、拡散透析セル23へのカソード溶液W2および酸溶液W4の両方の供給を停止する構成等にしてもよい。
The supply adjusting means is not limited to the configuration in which the supply of the acid solution W4 to the
また、排出部32は、三方電磁弁33が設けられた構成には限定されず、拡散透析セル23の余剰な酸溶液W4を酸溶液貯留部31へ排出できる構成であればよい。
Further, the
さらに、ポンプ27は、単独でカソード溶液W2および酸溶液W4の両方を拡散透析セル23に供給しているが、それぞれ独立した2つのポンプによって供給する構成としてもよい。
Further, although the
次に、上記一実施の形態の動作等を説明する。 Next, the operation and the like of the above-described embodiment will be described.
微生物燃料電池1においては、排水供給ポンプ3によって有機汚染物質を含有した排水W1がアノード室5に流入し、アノード4に形成された嫌気性微生物膜により有機汚染物質を嫌気分解する。また、嫌気分解によって発生した電子は、アノード4で集電され、外部回路11を経由してカソード6へ移動する。
In the microbial fuel cell 1, the wastewater W1 containing the organic pollutants flows into the
カソード室7では、カソード溶液W2中の電子受容体である3価の鉄イオンがアノード4からの電子を受け取ることにより2価の鉄イオンとなる。また、アノード室5から透過してきた水素イオンは、酸化槽15における酸化反応により生成する水酸化物イオンと反応して水を生成する。
In the
また、アノード室5での嫌気分解によって生成した水素イオンが陽イオン交換膜8を透過してカソード室7側へ移動することにより、電気回路を構成する。
Further, hydrogen ions generated by anaerobic decomposition in the
電子受容後にカソード反応が進行した後のカソード溶液である流出液W3は、カソード室7から酸化装置13へ導入して液中の2価の鉄イオンを酸化し、3価の鉄イオンを有するカソード溶液W2としてカソード溶液貯留部18へ供給する。
The effluent W3, which is the cathode solution after the cathode reaction proceeds after receiving electrons, is introduced from the
このような酸化装置13での酸化反応では、水酸化物イオンも生成するため、運転時間の経過にともなってカソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のpHが徐々に上昇する。
In such an oxidation reaction in the oxidizing
カソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のpHが7より高い場合には、カソード溶液貯留部18に接続された水素イオン供給手段21を、図1に示す供給状態とし、拡散透析セル23によってカソード溶液W2に酸溶液W4における水素イオンを選択的に供給して、その水素イオンが供給されたカソード溶液W2をカソード溶液貯留部18へ返送することで、pHを低下させる。
When the pH of the cathode solution W2 in the cathode
このように酸溶液W4からカソード溶液W2に水素イオンが供給された際には、カソード溶液W2から酸溶液W4へナトリウムイオンやカリウムイオン等の陽イオンが拡散移動するため、酸溶液W4中のイオンバランスが保たれる。 When hydrogen ions are supplied from the acid solution W4 to the cathode solution W2 in this way, cations such as sodium ions and potassium ions diffuse and move from the cathode solution W2 to the acid solution W4, so that the ions in the acid solution W4 Balance is maintained.
また、カソード溶液W2中の陽イオンは、燃料電池本体2において排水W1中の陽イオンがカソード溶液へ拡散移動することによって供給される。
Further, the cations in the cathode solution W2 are supplied by the cations in the wastewater W1 being diffused and moved to the cathode solution in the fuel cell
なお、酸溶液W4については、拡散透析セル23での拡散移動に伴って水素イオン濃度の減少と、塩の蓄積が生じるため、所定期間が経過した際に酸溶液貯留部31内の酸溶液W4を交換する必要があるが、例えば特許文献1等のキレート剤と比べて、酸溶液W4自体は極めて安価で、かつ、中和することで無害な中性塩溶液となり入手および廃棄等のコストも最小限に抑えることができる。
As for the acid solution W4, the hydrogen ion concentration decreases and the salt accumulates as the
また一方、カソード溶液貯留部18中のカソード溶液W2のpHが7より低い場合には、カソード溶液W2に水素イオンを供給する必要がないため、カソード溶液貯留部18に接続された水素イオン供給手段21を、図2に示す排出状態とし、拡散透析セル23への酸溶液W4の供給を停止する。
On the other hand, when the pH of the cathode solution W2 in the cathode
なお、pHが7より低い場合であっても、例えばポンプ27を停止しただけであると、拡散透析セル23に残存するカソード溶液W2と酸溶液W4との間で水素イオンの拡散移動が継続して拡散透析セル23内のカソード溶液W2のpHが低下するため、ポンプ27を稼動させた次稼動時にその拡散透析セル23内のカソード溶液W2がカソード溶液貯留部18に流入して、想定以上にカソード溶液貯留部18内のpHが低下してしまう可能性がある。
Even when the pH is lower than 7, for example, if the
そのため、カソード溶液貯留部18のpHが7より低く、水素イオンを拡散移動させる必要がない場合には、ポンプ27から酸溶液フローセル25への経路を閉塞し、かつ、酸溶液フローセル25から酸溶液貯留部31への排出ライン34を開通した排出状態として、拡散透析セル23内に残存している余剰な酸溶液W4を排出部32により酸溶液貯留部31へ排出する構成が好ましい。
Therefore, when the pH of the cathode
そして、上記微生物燃料電池によれば、水素イオン供給手段21によって、カソード溶液W2中の陰イオンの蓄積を防止できるため、陰イオンの蓄積による発電効率の低下を防止でき、長期にわたって安定して運転可能である。 According to the above-mentioned microbial fuel cell, the hydrogen ion supply means 21 can prevent the accumulation of anions in the cathode solution W2, so that the decrease in power generation efficiency due to the accumulation of anions can be prevented and the operation is stable for a long period of time. It is possible.
また、酸溶液供給部22は、拡散透析セル23内に残存する余剰な酸溶液W4を排出する排出部32を有するため、カソード溶液W2への水素イオンの供給が不要な場合に、拡散透析セル23内における水素イオンの拡散移動を必要に応じてより正確に停止でき、水素イオン供給手段21によってカソード溶液貯留部18内のpHをより適切に調整できる。
Further, since the acid
さらに、水素イオン供給手段21は、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHが7より高い場合に拡散透析セル23へカソード溶液W2および酸溶液W4を供給し、カソード溶液貯留部18のカソード溶液W2のpHが7より低い場合に拡散透析セル23へカソード溶液W2および酸溶液W4の少なくとも一方の供給を停止するため、カソード溶液貯留部18内のpHに応じて運転することでより効率的に陰イオンの蓄積を防止できる。
Further, the hydrogen ion supply means 21 supplies the cathode solution W2 and the acid solution W4 to the
以下、本実施例および比較例について説明する。 Hereinafter, this example and a comparative example will be described.
図1および図2に示す構成の微生物燃料電池1(実施例)と、拡散透析セル23が設けられていない従来の構成の微生物燃料電池(比較例)について、経過日数による発生電流密度、および、電気伝導率の変化を測定して、発電状況を確認した。
With respect to the microbial fuel cell 1 (Example) having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 and the microbial fuel cell (Comparative Example) having the conventional configuration in which the
実施例および比較例のいずれも、燃料電池本体2については、アノード室5側は、容積が867mLで、供給する排水モデルの原水(龍谷大学実下水)の供給量を3.6mL/分とし、滞留時間を4時間とし、カソード室7側は、容積が70.1mLで、酸化槽15への散水負荷を6.88m3/m3・日となるように運転した。
In both the examples and the comparative examples, for the fuel cell
なお、燃料電池本体2のアノード4およびカソード6の有効電極面積はいずれも200cm2である。
The effective electrode areas of the
拡散透析セル23は、1枚の陽イオン交換膜26(Nafion(登録商標)Ne−1110、有効面積32.2cm2)を介して、カソード溶液W2(FeCl3:5mM、Na2EDTA10mM含有、NaOHにてpHを7に調整)と、酸溶液W4(塩酸20mM)とが接するフローセル構造となっており、酸溶液W4からカソード溶液W2へ濃度拡散により水素イオンが移動する。
The
また、カソード溶液貯留部18および酸溶液貯留部31の容積はいずれも800mLである。
The volumes of the cathode
さらに、拡散透析セル23のカソード溶液フローセル24および酸溶液フローセル25は、幅2.8cm、高さ11.5cm、厚み0.5cm(有効容積16.1cm3)であり、チューブポンプであるポンプ27を用いてカソード溶液W2および酸溶液W4をそれぞれ1.5mL/分の流量で通液した。
Further, the cathode
拡散透析セル23を用いない比較例は、pHセンサに基づいて、ポンプによって酸(10N硫酸)を直接カソード溶液貯留部18に添加することで、pHを調整する構成とした。
In the comparative example in which the
これら実施例および比較例での発電状況について、電流密度の経時変化を図3に示す。この図3に示す実験結果から、実施例の方が比較例に比べて電流密度が上昇し、所定期間経過後も安定した発電が継続していることが確認できる。 FIG. 3 shows changes in current density over time with respect to the power generation status in these Examples and Comparative Examples. From the experimental results shown in FIG. 3, it can be confirmed that the current density of the examples is higher than that of the comparative examples, and stable power generation continues even after the lapse of a predetermined period.
また、カソード溶液W2の電気伝導率の経時変化を図4に示す。この図4に示すように、比較例においては電気伝導率が経時的に上昇し、陰イオンの蓄積による影響が確認されたが、実施例においては電気伝導率が低い値を維持し、陰イオンの蓄積による影響が確認されなかった。 Further, FIG. 4 shows the change over time in the electrical conductivity of the cathode solution W2. As shown in FIG. 4, in the comparative example, the electric conductivity increased with time and the influence of the accumulation of anions was confirmed, but in the example, the electric conductivity remained low and the anions were maintained. The effect of the accumulation of was not confirmed.
さらに、ICP発光分光分析により上述の実験終了後のカソード溶液W2中の鉄濃度を測定したところ、比較例では244mg/Lであったのに対し、実施例では257mg/Lという結果だった。 Furthermore, when the iron concentration in the cathode solution W2 after the completion of the above experiment was measured by ICP emission spectroscopic analysis, it was 244 mg / L in the comparative example, whereas it was 257 mg / L in the example.
実験開始当初の鉄濃度は5mM(279mg/L)であり、添加した酸や水の浸透による希釈効果を考慮すれば、鉄の流出がほとんど起こっていないと考えられる。 The iron concentration at the beginning of the experiment was 5 mM (279 mg / L), and considering the dilution effect due to the permeation of the added acid and water, it is considered that almost no iron outflow occurred.
したがって、実施例では、拡散透析セル23によるpH制御により、カソード溶液W2への陰イオンの蓄積を抑制しつつ、微生物燃料電池1が継続的に安定して運転可能であることが確認された。
Therefore, in the examples, it was confirmed that the microbial fuel cell 1 can be continuously and stably operated while suppressing the accumulation of anions in the cathode solution W2 by controlling the pH by the
1 微生物燃料電池
2 燃料電池本体
4 アノード
5 アノード室
6 カソード
7 カソード室
8 隔膜としての陽イオン交換膜
13 酸化装置
14 循環手段
18 カソード溶液貯留部
21 水素イオン供給手段
22 酸溶液供給部
23 拡散透析セル
24 カソード溶液フローセル
25 酸溶液フローセル
26 陽イオン交換膜
31 酸溶液貯留部
32 排出部
W1 排水
W2 カソード溶液
W3 カソード溶液としての流出液
W4 酸溶液
1
13 Oxidizer
14 Circulation means
18 Cathode solution reservoir
21 Hydrogen ion supply means
22 Acid solution supply unit
23 Diffusion dialysis cell
24 Cathode solution flow cell
25 Acid Solution Flow Cell
26 Cation exchange membrane
31 Acid solution reservoir
32 Discharge
W1 drainage
W2 cathode solution
Outflow as W3 cathode solution
W4 acid solution
Claims (4)
アノードを前記排水に浸漬したアノード室と、カソードをカソード溶液に浸漬したカソード室と、これらアノード室とカソード室との間に位置し前記アノード室側から前記カソード室側へ陽イオンを透過可能な隔膜とを有する燃料電池本体と、
前記カソード室のカソード溶液中の鉄イオンを2価から3価に酸化する酸化装置と、
この酸化装置で鉄イオンを酸化したカソード溶液を貯留するカソード溶液貯留部を有し、このカソード溶液貯留部から前記カソード室へカソード溶液を循環する循環手段と、
前記カソード溶液貯留部のカソード溶液へ水素イオンを供給する水素イオン供給手段とを具備し、
前記水素イオン供給手段は、カソード溶液および酸溶液が供給され陽イオン交換膜によって前記酸溶液の水素イオンを前記カソード溶液のpHが6以上9以下となるように前記カソード溶液へ供給する拡散透析セルを有する
ことを特徴とする微生物燃料電池。 A microbial fuel cell that extracts electrical energy from wastewater containing organic pollutants.
It is located between the anode chamber in which the anode is immersed in the drainage, the cathode chamber in which the cathode is immersed in the cathode solution, and the anode chamber and the cathode chamber, and can permeate cations from the anode chamber side to the cathode chamber side. The main body of the fuel cell having a cathode and
An oxidizing device that oxidizes iron ions in the cathode solution of the cathode chamber from divalent to trivalent.
A circulation means that has a cathode solution storage unit that stores a cathode solution obtained by oxidizing iron ions in this oxidizing device and circulates the cathode solution from the cathode solution storage unit to the cathode chamber.
A hydrogen ion supply means for supplying hydrogen ions to the cathode solution of the cathode solution storage unit is provided.
The hydrogen ion supply means is a diffusion dialysis cell to which a cathode solution and an acid solution are supplied and the hydrogen ions of the acid solution are supplied to the cathode solution by a cation exchange membrane so that the pH of the cathode solution is 6 or more and 9 or less. A microbial fuel cell characterized by having.
前記酸溶液供給部は、前記酸溶液を貯留する酸溶液貯留部と、余剰な酸溶液を前記拡散透析セルから前記酸溶液貯留部へ排出するための排出部とを有する
ことを特徴とする請求項1記載の微生物燃料電池。 The hydrogen ion supply means includes a diffusion dialysis cell and an acid solution supply unit that supplies an acid solution to the diffusion dialysis cell.
The acid solution supply unit includes an acid solution storage unit for storing the acid solution and a discharge unit for discharging the excess acid solution from the diffusion dialysis cell to the acid solution storage unit. Item 1. The microbial fuel cell according to Item 1.
ことを特徴とする請求項1または2記載の微生物燃料電池。 The diffusion dialysis cell is located between the cathode solution flow cell through which the cathode solution passes, the acid solution flow cell through which the acid solution passes, and the cathode solution flow cell and the acid solution flow cell, and is located from the acid solution flow cell side to the cathode solution flow cell side. The microbial fuel cell according to claim 1 or 2, further comprising a cathode exchange film capable of transmitting a cathode ion.
前記供給調整手段は、前記カソード溶液のpHが6以上9以下の所定の値より高い場合には前記拡散透析セルへ前記カソード溶液および前記酸溶液を供給し、
前記カソード溶液のpHが6以上9以下の所定の値より低い場合には前記拡散透析セルへの前記カソード溶液および前記酸溶液の少なくとも一方の供給を停止し、供給停止した溶液を前記拡散透析セルから排出する
ことを特徴とする請求項1ないし3いずれか一記載の微生物燃料電池。 The hydrogen ion supply means adjusts the supply state of the cathode solution and the acid solution to the diffusion dialysis cell according to the pH measuring means for measuring the pH of the cathode solution in the cathode solution storage portion and the measurement result of the pH measuring means. Has a supply adjustment means,
When the pH of the cathode solution is higher than a predetermined value of 6 or more and 9 or less , the supply adjusting means supplies the cathode solution and the acid solution to the diffusion dialysis cell.
When the pH of the cathode solution is lower than a predetermined value of 6 or more and 9 or less, the supply of at least one of the cathode solution and the acid solution to the diffusion dialysis cell is stopped, and the stopped supply of the solution is supplied to the diffusion dialysis cell. The microbial fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the microbial fuel cell is discharged from.
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