一種具有產電功能的自凈化水族箱的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有產電功能的自凈化水族箱，包括污水有機物處理、水產動物養殖觀賞、藻類植物培養和微生物燃料電池發電等功能，其特征在于：利用有機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實現密封。水箱分為兩部分，中心圓筒內空間為陽極室，用于微生物與污水中有機物的反應；圓筒外的敞口水箱為陰極室，主要進行藻類植物的光合作用和水產動物養殖。陽極和陰極均使用碳布作為微生物附著區及藻類植物附著區，兩邊以帶有保護電阻的導線相接構成回路。中心圓筒外的水箱內，水產動物通過呼吸作用產生二氧化碳，藻類植物通過光合作用不斷消耗二氧化碳并產生氧氣，氧氣供給動物呼吸從而維持生命。與此同時，藻類植物本身也可作為水產動物的食物，無需額外對其進行人工投食；生態箱底部的水泵將陰極室中水產動物的糞便抽入陽極室被微生物降解。本發明可廣泛應用于生物、環保、能源等領域。
【專利說明】
一種具有產電功能的自凈化水族箱
技術領域
[0001] 本發明涉及一種自凈化水族箱，具體涉及具有產電功能的自凈化水族箱。
【背景技術】
[0002] 水族箱，是用來飼養熱帶魚或者金魚的玻璃器具，又稱為生態魚缸或水族槽，是一 個動物飼養區，通常至少有一面為透明的玻璃及高強度的塑料。水族箱內人工飼養著生活 于水中的植物及動物(通常為魚類，但亦可是無脊椎動物、兩棲動物、海洋哺乳動物或爬行 動物），既給水產動物營造一個溫馨的家，也可以起到觀賞的作用。然而，水產動物養殖最煩 惱的事情莫過于清理水族箱底部的糞便和食物殘渣等有機廢物，雖然有些水族箱配置了過 濾系統，但額外的能耗和提高的購置成本不可忽視，且復雜管路的布置還會影響觀賞價值。 同時，水產動物通過呼吸不斷消耗水中的氧和養料，排出二氧化碳和排泄物，而排泄物中除 了阿摩尼亞和亞硝酸鹽外還有其它有害物質。此外，頻繁的人工換水和投食工作也會消耗 養殖者大量的精力。
[0003] 微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置， 包括有機廢水在內的任何可以為產電菌代謝提供能量的有機物都可以成為微生物燃料電 池的燃料，因此微生物燃料電池可以同時實現廢物處理和電能綠色供應，是一種極有潛力 的低品位可再生能源利用技術。它的基本工作原理是:在厭氧環境的陽極室內，有機物在微 生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之 間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極， 氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質子結合成水。微生物燃料電池能量轉化率 高，污泥產量低，對廢水中的有機物具有很好的去除效果。與現有的其它有機物產能技術相 比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢:首先，它將底物直接轉化為電能，保證了 具有高的能量轉化效率;其次，不同于現有的生物質能熱解轉化技術，微生物燃料電池在常 溫環境條件下就能夠有效運行;再者，微生物燃料電池無需輸入較大能量便可維持運行。因 此，微生物燃料電池在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。
[0004] 光合作用，即光能合成作用，是指含有葉綠體綠色植物、動物和某些細菌，在可見 光的照射下，經過光反應和碳反應，利用光合色素，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放 出氧氣的生化過程。光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎， 也是地球碳氧平衡的重要媒介。
[0005] 因此，開發一種以微生物燃料電池技術為支撐，進而完成有機廢水的處理，同時利 用藻類植物光合作用進行水產動物養殖的自凈化水族箱是該領域技術人員的研究熱點。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種具有產電功能的自凈化水族箱。
[0007] 為達到上述目的，本發明的技術方案是:利用有機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度 的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實現密封。水箱分為兩部分，中心圓筒 內空間為陽極室，用于微生物與污水中有機物的反應;圓筒外的敞口水箱為陰極室，主要進 行藻類植物的光合作用和水產動物養殖。陽極和陰極均使用碳布作為陽極室微生物附著區 及陰極室藻類植物附著區，兩邊以帶有保護電阻的導線相接構成回路。
[0008] 在中心圓筒中，污水中的有機物通過本體基質傳遞到產電菌并與其發生降解反 應，電子依靠合適的介體在微生物和陽極之間進行有效傳遞，然后通過外電路到達陰極形 成電流。
[0009] 中心圓筒外的水箱內，水產動物通過呼吸作用產生二氧化碳，藻類植物通過光合 作用不斷消耗二氧化碳并產生氧氣，氧氣供給動物呼吸從而維持生命。與此同時，藻類植物 本身也可作為水產動物的食物，無需額外對其進行人工投食。
[0010] 在陽極室和陰極室之間是質子交換膜，通過支撐板將其固定。質子交換膜具有良 好的質子電導率、電化學穩定性和機械強度，氣體和水分子在膜中的滲透性極小。陽極室在 有機質代謝分解過程中產生的質子通過質子交換膜傳遞到陰極，藻類植物光合作用產生的 氧氣在陰極得到電子被還原與質子結合成水。中心圓筒上部開有多個孔洞，方便圓筒內的 上清液流入水箱，既可以改善水產動物的生活環境，又能為藻類植物的光合作用提供原料， 實現水族箱的水循環。
[0011] 水箱底部設有圓形腔室，腔室內裝有抽水水栗，水栗又與連通陰陽極兩室的管道 相接。陰極室中水產動物產生的排泄物通過重力沉降到底部，水栗將排泄物經由管道抽入 陽極室，并在陽極室被微生物降解，從而實現水產動物生活環境的自凈化過程，無需再進行 人工清理。
[0012] 由于陽極電極附著的產電菌屬于厭氧微生物，因此中心圓筒上方以密封蓋加以密 封，密封蓋將內部空間與周圍環境隔開，避免空氣中的氧氣進入水體。
[0013] 本發明所述的具有產電功能的自凈化水族箱的有益效果是:本發明采用微生物燃 料電池與有機廢水處理技術相結合，利用微生物降解污水中的有機物，污水處理后得到的 上清液又可以作為藻類植物進行光合作用的原料;在養殖水產動物的過程中無需人工投 食、定期換水和清理糞便，水產動物的生命全部依靠藻類植物及其光合作用產生的氧氣維 持；陽極室通過孔口流入陰極室的上清液能夠改善生活環境，糞便則完全由水族箱底部的 水栗抽走并被微生物降解;在無能耗持續降解有機廢物的同時，還可從中回收多種形式的 能量;本發明可廣泛應用于生物、環保、能源等領域。
【附圖說明】
[0014] 圖1為具有產電功能的自凈化水族箱結構示意圖。
[0015] 圖2為自凈化水族箱中心圓筒裝置剖面圖。
[0016]圖3為自凈化水族箱運行原理圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行進一步詳細的描述。
[0018]參見圖1和圖2，具有產電功能的自凈化水族箱主要包括陰極室1、進水口 2、水栗工 作室3、陰極碳布4、孔口5、陽極室6、密封蓋7、進水管8、質子交換膜9、支撐板10、陽極碳布 11、出水管12和水栗13構成。敞口水箱構成陰極室1，利用陰極碳布4作為陰極電極上的藻類 植物附著區。中心圓筒對應陽極室6,同樣使用陽極碳布11作為陽極電極上的微生物附著 區。陰極碳布4和陽極碳布11以帶有電阻的導線相連構成回路，微生物燃料電池產生的電子 由陽極碳布11經導線到達陰極碳布4并形成電流。為了給產電菌提供厭氧環境，陽極室6上 方以密封蓋7加以密封。在中心圓筒上部開有均勻分布的孔口 5,便于陽極室6中的上清液流 入陰極室1。在陰陽兩極碳布之間是質子交換膜9和支撐板10,其中質子交換膜9靠近陰極室 1，支撐板10靠近陽極室6。陽極室6在有機質代謝分解過程中產生的質子依次經過支撐板10 和質子交換膜9,最終進入陰極室1。支撐板10用于固定碳布和質子交換膜9,板上開有多個 孔洞以便于質子的傳輸。由于陰極室1水產動物排泄出的糞便需要通入陽極室6進行降解處 理，故而在水族箱底部設有水栗工作室3,通過水栗13將動物糞便從陰極室1沿著進水管8和 出水管12抽到陽極室6。水產動物活動空間較為自由，糞便在敞口水箱中分布范圍不定，因 此水栗工作室3上的進水口 2呈環狀分布，每個進水口各自對應一根進水管8,所有進水管再 合并到一處共同被水栗13抽入。
[0019] 參見圖3,在具體實施時，陽極室6中裝有污水，陽極碳布11上附著的產電菌可以降 解污水中的有機物。以污水中的小分子有機物乙酸鹽為例，微生物燃料電池工作時，陽極室 6發生的電化學反應為： + 4HsO 2HCO^ + 9H* i 污水經過降解處理后得到的上清液通過陽極室6上部的孔口 5流入陰極室1，既可以改 善陰極室1中水產動物的生活環境，又能為藻類植物的光合作用提供原料。與此同時，陽極 室6的質子(主要是氫離子)依次通過支撐板10和質子交換膜9并最終進入陰極室1。
[0020] 在陰極室1中，以水產動物中的魚為例，魚通過呼吸作用，消耗氧氣并產生二氧化 碳。陰極碳布4上附著的藻類植物以二氧化碳和水為原料，在太陽光照條件下進行光合作 用，生成有機物(主要是葡萄糖）、氧氣和水。具體反應式為： 12￡T jO + ^ + (Sff 光合作用產生的氧氣一部分與陽極室6傳輸而來的氫離子和電子結合生成水，另一部 分則被魚吸收，同時藻類植物本身也可以作為水產動物的食物，無需再對陰極室1進行人工 投食。魚排泄出的糞便也不需要人工清理，水族箱底部的水栗13將陰極室1底部的糞便通過 管道抽入陽極室6,與污水一同被陽極碳布11上附著的產電菌降解，從而實現水產動物生活 環境的自凈化過程。
[0021] 在該水族箱中，微生物燃料電池產生的電能既可以在無自然光照(例如夜間)條件 下提供電力照明，使陰極室1中藻類植物的光合作用繼續進行，也能夠為箱底部的水栗13提 供動力。
[0022]水族箱完全運行后，最大功率可達15mW/m2，化學需氧量(C0D)降解效率約80%且 C0D濃度小于50mg/L，達到了國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一 級排放標準。
[0023]因此，該具有產電功能的自凈化水族箱既無需外接設備，也不用人工處理，即可實 現水產動物養殖觀賞、有機廢水降解、藻類植物培養、微生物燃料電池發電等功能。在無能 耗持續降解有機廢物的同時，還可以從中回收多種形式的能量，能夠實現自凈化循環功能。
【主權項】
1. 一種具有產電功能的自凈化水族箱，包括敞口水箱和中心圓筒，其特征在于:利用有 機玻璃、鋼化玻璃等具有一定強度的透光材料制作透明水箱，再通過有機玻璃膠等黏合實 現密封，水族箱分為兩部分，中心圓筒內空間為陽極室(6)，用于微生物與污水中有機物的 反應；圓筒外的敞口水箱為陰極室（1)，主要進行藻類植物的光合作用和水產動物養殖，陽 極和陰極均使用碳布作為陽極室微生物附著區及陰極室藻類植物附著區，兩邊以帶有保護 電阻的導線相接構成回路。2. 按照權利要求1所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于：陽極室(6)上方 以密封蓋(7)加以密封，為陽極碳布(11)上附著的產電菌提供厭氧環境。3. 按照權利要求1所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在無太陽光照條 件下，微生物燃料電池產生的電能可以繼續照明，為藻類植物光合作用提供反應條件。4. 按照權利要求1所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于：陽極室(6)上部 開有均勻分布的孔口（5)，便于陽極室(6)中的上清液流入陰極室（1)。5. 按照權利要求1所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在陽極室(6)和 陰極室（1)之間是質子交換膜(9)，以便于將陽極室(6)在有機質代謝分解過程中產生的質 子(主要是氫離子)傳遞到陰極室（1)。6. 按照權利要求1所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:通過水栗（13)抽 取陰極室（1)中水產動物的糞便。7. 按照權利要求5所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:通過支撐板（10) 固定質子交換膜(9)，板上開有多個孔洞以便于質子的傳輸。8. 按照權利要求6所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:在水族箱底部設 有水栗工作室(3)，便于水栗(13)內置于水族箱中。9. 按照權利要求6所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:水栗（13)將水產 動物糞便從陰極室（1)抽入陽極室(6)，被陽極碳布(11)上附著的產電菌進一步降解。10. 按照權利要求6所述的具有產電功能的自凈化水族箱，其特征在于:水栗工作室(3) 上的進水口（ 2 )呈環狀分布，每個進水口各自對應一根進水管(8 )，所有進水管再合并到一 處共同被水栗（13)抽入。
【文檔編號】A01K63/04GK105850864SQ201610234929
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】郭成龍, 張國峰, 陳群峰, 毛帥峰, 王鑫城, 王維, 郭飛強
【申請人】中國礦業大學