污泥制燃料电池工艺

01基本工艺原理

在MFC中，氧化底物的细菌通常在厌氧条件下通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线将电子传递给阳极，然后通过连接阴阳两极的导线又将电子传递给阴极，而质子通过隔开两极的质子交换膜到达阴极，在含铂等的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水。阴阳两极之间的电位差，通过在反应器上的集成，这样的低电压可以被转换成较高电压，从而获得可以被利用的电能。对于以葡萄糖为基质的情况，理论上1/3的电子可以用于产生电流，而2/3的电子存在于发酵产品如乙酸和丁酸中。发酵过程中，在有催化剂的条件下，阴阳两极发生的反应分别如下所示。

在微生物燃料电池中，影响电能产生最重要的生物因素是底物，很多物质可以用于制作微生物燃料电池底物，这些底物既可以是纯化合物，也可以是富含有机物质的废水、剩余污泥等废弃的生物质以及一些难处理的废弃物等。

02污泥制沼气燃料电池工艺

MFC是一种清洁、高效、噪声低的发电装置，它所谓的“燃料”并不燃烧，而是直接产生电能。

1）沼气燃料电池（MFC）工作原理

沼气燃料电池系统一般由3个单元组成，它们分别是燃料处理单元、发电单元和电流转换单元。

① 燃料处理单元。该单元主要部件是改质器，它以镍为催化剂，将甲烷转化为氢气。

为了降低CO的浓度，在铜和锌的催化作用下，混合气体在改质器后的变成器中得到进一步的改良。

② 发电单元。发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢气和氧化剂（O2）在两个电极上进行化学反应，电解质则构成电池的内回路。

电解质可采用磷酸，其发电效率虽较低，但温度低（约200℃）。

③ 电流转换系统。主要任务是把直流电转换为交流电。燃料电池产生的和排出的热量可以用来加热消化池或者用来采暖。

2）沼气的预处理

甲烷是沼气中最主要的有用成分，在燃料电池中甲烷的浓度至少在90%以上，其他成分比如二氧化碳、硫化氢等的存在会对燃料电池产生不利的影响。

沼气的提纯方法有：a.用NaOH水溶液溶解吸收法；b.沸石吸附法（PSA法）；c.膜法，利用CH4和CO2透过膜的速度差来提纯CH4。用双塔式吸收法提纯沼气的装置的特点是组成简单、操作简便、成本低。第一吸收塔用处理水，主要来吸收大部分CO2和H2S，第二吸收塔用NaOH溶液，这样可节省NaOH的用量。用此装置提纯沼气，运行稳定可靠，CH4的回收率高。

3）沼气燃料电池效率

与热机效率不同，燃料电池能量转换的效率不受内燃机因素的限制，其值等于电池反应的吉布斯焓变ΔG与燃烧反应热ΔH之比，可达90%左右。

4）燃料电池的优缺点

优点：a.效率高，受卡诺循环的限制，一般内燃机效率可达40%；b.几乎没有污染物的排放；c.当燃料电池工作时没有机械噪声和机械振动的困扰；d.维护管理简单。

缺点：a.缺少长期运行的实践经验；b.排气中除了硫化氢外，还含有其他微量废气，比如磷酸等。

5）沼气燃料电池与发电机发电的比较

沼气燃料电池发电与沼气发电机发电相比具有很多优点，例如发电效率和能量利用率高，振动和噪声小，排出的废气氮氧化物和硫化物浓度低，因此沼气燃料电池是很有发展前途的沼气利用工艺。