Проточний мікробний паливний елемент із мобільними електродними блоками

Реферат: Проточний мікробний паливний елемент із мобільними електродними блоками складається з анодного півелемента, який містить біосумісний матеріал, катодного півелемента та протонопроникної мембрани, яка розділяє півелементи, і провідника першого роду, який з'єднує анод і катод через навантаження. В анодному півелементі виконано 2 отвори у напрямку руху субстрату та анодний матеріал організований у замінні блоки спеціальної конструкції, а також пристрій додатково містить полімерні фільтри. UA 69274 U (54) ПРОТОЧНИЙ МІКРОБНИЙ ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ ІЗ МОБІЛЬНИМИ ЕЛЕКТРОДНИМИ БЛОКАМИ UA 69274 U UA 69274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до біотехнології, зокрема до екологічної біотехнології та може використовуватись як пристрій для перетворення енергії хімічних зв'язків енергоємних сполук в електричну енергію без використання штучних медіаторів електронного переносу. Відомий конструктивно близький мікробний паливний елемент, який складається з анодного та катодного півелементів, в яких містяться щонайменше один анод та один катод, відповідно, які розділені протонопроникною мембраною. [US2010279178 (А1), Н01М 8/16, дата публікації 2010-11-04]. Недоліком цього пристрою є те, що стічні води, які надходять у анодний простір МПЕ, подаються у періодичному режимі заміни субстрату. Максимальні значення питомої сили струму в МПЕ досягаються за умови відсутності лімітування росту мікроорганізмів за субстратом та за умови постійного вилучення відмерлих мікроорганізмів і продуктів їх метаболізму з поверхні анода, надлишок яких знижує провідність іммобілізованого мікробного шару на аноді. Найбільш близьким по суті є проточний мікробний паливний елемент, у якому анод являє собою часточки полімерного матеріалу з розвиненою корисною поверхнею. Анодний та катодний простір розділені протонопроникною мембраною. Катод з одного боку занурений в католіт, а з іншого боку контактує з повітрям. Субстрат (стічна вода) протоком подається у нижню частину конструкції, а вилучається у верхній. При цьому частки, що осідають, можуть бути вилучені з конусоподібного дна, а супутні гази, що утворюються, вилучаються з патрубка у верхній частині конструкції анодної камери [CN101710624 (A), C02F 3/34; Н01М 8/06; Н01М 8/16, дата публікації - 2010-05-19]. Недоліком цього пристрою є те, що для ефективної роботи пристрою в проточних умовах неможливо здійснити заміну анода чи додаткове внесення біомаси електродофільних мікроорганізмів. Тобто, в разі залпового скиду висококонцентрованих чи токсичних стічних вод пристрій на тривалий час вийде з ладу. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача забезпечити безперебійність роботи проточного мікробного паливного елемента в умовах можливих залпових скидів висококонцентрованих чи токсичних стічних вод, що є однією з проблем безперервної роботи очисних споруд, де може знайти застосування зазначений пристрій. Поставлена задача вирішується тим, що в проточному мікробному паливному елементі із мобільними електродними блоками, який складається з анодного півелемента, який містить біосумісний матеріал, катодного півелемента та протонопроникної мембрани, яка розділяє півелементами, і провідника першого роду, який з'єднує анод і катод через навантаження, анодний матеріал організований у замінні блоки спеціальної конструкції, а в анодному півелементі виконано 2 отвори у напрямку руху субстрату (стічної води). Схематично заявлений проточний мікробний паливний елемент із замінними електродними блоками зображений на кресленні: 1 - анодний півелемент; 2 - катодний півелемент; 3 протонпроникна мембрана; 4 -фільтри для захисту мембрани; 5 - полімерні блоки-носії для закріплення анодного матеріалу; 6 - кришка для герметизації анодного простору; 7 -патрубок для виводу газу та провідника; 8 - патрубок для введення субстрату; 9 - патрубок для виведення субстрату. Заявлений пристрій складається з анодного (1) та катодного півелементів (2), розділених протонопроникною мембраною (3). Матеріалом для катодного та анодного півелементів слугує поліпропілен чи будь-який інший біосумісний матеріал з відповідними технологічними характеристиками. Анодний простір являє собою певний об'єм, в якому розміщують анодний матеріал, організований у замінні блоки спеціальної конструкції, з'єднані провідником першого роду через навантаження з катодним матеріалом. Анодним матеріалом слугує вуглецева тканина чи будь-який інший матеріал, що може слугувати колектором струму негативного полюса мікробного паливного елемента, мати розвинену питому поверхню та бути нетоксичним для мікроорганізмів. Анодний матеріал фіксується до блока-носія з поліпропілену чи іншого біосумісного матеріалу через отвори за допомогою провідника з покриттям, що не окислюється (5). На поверхні анодного матеріалу іммобілізують мікроорганізми, які здійснюють біоелектрохімічне перетворення енергії хімічних зв'язків високоенергетичних сполук у електричну енергію, та, без участі екзогенних медіаторів, передають електрони на анод. Катодний матеріал так само може бути організований у мобільні блоки з вуглецевої тканини або можуть використовуватись і типові конфігурації електродів за умови врахування змін загальних характеристик пристрою. Біотехнологічними деструкторами та продуцентами електричної енергії слугують асоціації мікроорганізмів у вигляді активного мулу, а також можливе використання чистих культур мікроорганізмів, здатних до екзоелектрогенезу. За стаціонарної роботи пристрою в анодний півелемент (1) через патрубок для введення субстрату (8) самопливом надходить субстрат, високоенергетичні речовини якого є джерелом живлення мікроорганізмів. Відпрацьований субстрат вилучається з анодного півелемента через 1 UA 69274 U 5 10 15 20 25 30 патрубок для виведення субстрату (9). За умов відсутності доступу кисню мікроорганізми асоціації здатні використовувати як термінальний акцептор електронів (колектора струму негативного полюсу) анодний матеріал (3). За різницею потенціалів електрони рухаються в напрямку катода (колектор струму позитивного полюса) і, таким чином відбувається продукція електричної енергії. Протони, за градієнтом концентрації, проходять через протоноселективну мембрану з анодного півелемента в катодний, де сполучаючись в приелектродному просторі з киснем повітря та електронами на катоді утворюють молекули води. Заявлений пристрій відрізняється від аналогів тим, що анодний та катодний матеріали конструктивно організовані в мобільні блоки, які можуть бути замінені. Це, загалом, поліпшує експлуатаційні характеристики пристрою, дозволяє зменшити омічні та дифузійні втрати в порівнянні з існуючими аналогами на 12-15 % в залежності від конструкції. Крім того, пристрій оснащений полімерними фільтрами для захисту протонопроникної мембрани від небажаної іммобілізації мікроорганізмів, що продовжує тривалість експлуатації мембрани та зменшує собівартість пристрою. Заявлений проточний мікробний паливний елемент із замінними електродними блоками на 60-90 % поліпшені показники за експлуатаційними характеристиками, оскільки, за рахунок можливості заміни електродних блоків відновлення роботи установки відбувається протягом 2-5 діб, тоді як, в разі загибелі мікроорганізмів при залпових скидах, повне відновлення електроактивної біоплівки на електродах прототипу триватиме понад два місяці. Крім того, заявлений пристрій може слугувати біоректором-інокулятором для нарощування біомаси асоціації електроактивних мікроорганізмів-деструкторів. Таким чином використання заявленого пристрою з даною конфігурацією є вигідним та економічно доцільним, так як за рахунок вдосконаленої конструкції забезпечується безперебійність процесу біотехнологічного отримання електричної енергії. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Проточний мікробний паливний елемент із мобільними електродними блоками, який складається з анодного півелемента, який містить біосумісний матеріал, катодного півелемента та протонопроникної мембрани, яка розділяє півелементи, і провідника першого роду, який з'єднує анод і катод через навантаження, який відрізняється тим, що в анодному півелементі виконано 2 отвори у напрямку руху субстрату та анодний матеріал організований у замінні блоки спеціальної конструкції, а також пристрій додатково містить полімерні фільтри. 2 UA 69274 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3