CN101924228A - 一种微生物燃料电池及其处理苯胺废水的方法 - Google Patents

Abstract

一种微生物燃料电池，由阳极室、阴极室、质子膜、阳极、阴极、硅胶垫圈、垫板和硅胶垫片构成，所述阳极为碳纸、玻璃碳等；阴极为碳布、碳纸或石墨，阴极表面镀有Pt催化剂。应用该微生物燃料电池处理苯胺废水的方法，步骤如下：1)将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，利用厌氧污泥启动微生物燃料电池；2)将阳极室中葡萄糖废水换成苯胺和葡萄糖的混合溶液，测定苯胺、阳极室中COD的降解率和电池的产电性能；3)减少阳极室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作为单一电子供体。本发明的优点是：方法简单、易于实施、成本低、可在常温下应用，COD的去除率和苯胺的去除率较高，效果明显，适于大规模的推广与应用。

Description

一种微生物燃料电池及其处理苯胺废水的方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种微生物燃料电池及其处理苯胺废水的方法，可以在处理有机物的同时获得电能。

背景技术

随着工农业生产的快速发展，进入环境中的有害化合物越来越多，对动植物的生存和人类生存都构成了很大的危害，尤其具有致畸、致癌的小分子如苯胺等有机污染物的危害更大。苯胺是医药、农药、染料、塑料等行业的重要原料，广泛存在于这些行业的废水中。苯胺类化合物有毒，如果不经有效处理就直接排放，将会对人类生存的环境产生严重污染，已被美国EPA列为优先控制的129种污染物之一。对废水中苯胺的处理方法主要有：吸附法、萃取法、氧化法、微生物降解法等。目前，国内外研究者对苯胺的生物降解已开展了大量研究工作，已分离到一些在好氧或厌氧条件下降解苯胺的细菌，也有利用活性污泥、生物膜反应器降解苯胺类污染物。在好氧生物处理过程中，存在的问题是需要大规模的曝气，处理成本高，没有考虑到废水中有机物的利用问题。厌氧生物处理苯胺废水，苯胺不能有效的降解，产生的甲烷气体一般无法回收利用，直接排放到空气中去了，污染环境。

微生物燃料电池(MFC)是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置，它可以将废水中的有机污染物转变成能，并同时处理废水。目前研究报道的MFC利用的有机物主要为易降解的物质，如葡萄糖、蔗糖、乙酸、乙醇等。由于对环境造成污染较严重的是有毒有害废水，这些实际排放的废水中有机物含量丰富，如果能用MFC处理有毒有害废水的同时也能进行发电，是MFC研究中的一大突破。

国内外至今还没有有关MFC处理苯胺废水的报道。本发明的目的是为苯胺废水处理提供一种新方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种微生物燃料电池及其处理苯胺废水的方法，该方法简单、易于实施、成本低且效率高。

本发明的技术方案：

一种微生物燃料电池，由阳极室、阴极室、质子膜、阳极、阴极、硅胶垫圈、垫板和硅胶垫片构成，阳极室和阴极室均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室和阴极室的圆筒上部分别设有电极插孔，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极和阴极并通过导线分别从电极插孔密封引出，质子膜呈正方形，其夹在两个硅胶垫片之间并通过两个垫板固定，硅胶垫片和垫板的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜的边长，质子膜与垫板和硅胶垫片构成质子膜组件，两个硅胶垫圈分别位于阳极室和阴极室与质子膜组件之间，组装后通过紧固螺栓连接固定，所述阳极为碳布、碳纸、玻璃碳、发泡镍、碳纤维、碳纳米管、储氢合金、颗粒石墨或石墨毡；阴极为碳布、碳纸或石墨，阴极表面镀有0.10mg/cm²-0.7mg/cm²的Pt催化剂。

一种该微生物燃料电池处理苯胺废水的方法，步骤如下：

1)将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，在反应温度时30℃-40℃条件下，外接1000Ω电阻，利用厌氧污泥启动微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的葡萄糖模拟废水，待负载电压稳定在400mV以上，微生物燃料电池启动成功；

2)微生物燃料电池成功启动后，阳极室中葡萄糖废水换成苯胺和葡萄糖的混合溶液，测定苯胺、阳极室中COD的降解率和电池的产电性能；

3)减少阳极室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作为单一电子供体。

本发明的工作机理：

在处理苯胺废水的过程中，附着在阳极上的细菌新陈代谢，氧化废水中有机物夺得电子并生成质子，所夺得的电子从微生物转移到阳极电极上，电子通过外电路到达阴极电极表面，同时生成的质子也到达阴极电极表面，质子、电子和氧气在阴极室内结合生成水。在获得电能的同时，由于微生物的分解代谢而使得废水中有机物浓度降低，并且由于微生物群落的不断驯化具有电化学性的细菌可以在电极表面被富集培养起来。

本发明的优点是：具有方法简单、易于实施、成本低、效率高等优点，处理效果和产电量受温度影响较小，可在常温下应用，最低应用条件为20℃，葡萄糖和苯胺在不同浓度配比下COD的去除率达到73％～77％，苯胺的去除率在71％～74.4％，适于大规模的推广与应用。

附图说明

图1为该微生物燃料电池的结构示意图。

图中：1.阳极室 2.阴极室 3.质子膜 4.阳极 5.阴极

6-Ⅰ、Ⅱ.硅胶垫圈 7-Ⅰ、Ⅱ.垫板 8-Ⅰ、Ⅱ.硅胶垫片

9-Ⅰ、Ⅱ.电极插孔

图2为苯胺和葡萄糖为混合燃料时电池的产电特性。

图3为苯胺和葡萄糖为混合燃料时电池中有机物的去除率。

图4为微生物燃料电池和厌氧生物处理两种状态下苯胺的去除率。

具体实施方式

实施例：

一种微生物燃料电池，由阳极室1、阴极室2、质子膜3、阳极4、阴极5、硅胶垫圈6-Ⅰ、Ⅱ、垫板7-Ⅰ、Ⅱ和硅胶垫片8-Ⅰ、Ⅱ构成，阳极室1和阴极室2均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室1和阴极室2的圆筒上部分别设有电极插孔9-Ⅰ、Ⅱ，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极4和阴极5并通过导线分别从电极插孔9-Ⅰ、Ⅱ密封引出，质子膜3呈正方形，其夹在两个硅胶垫片8-Ⅰ、Ⅱ之间并通过两个垫板7-Ⅰ、Ⅱ固定，硅胶垫片8-Ⅰ、Ⅱ和垫板7-Ⅰ、Ⅱ的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜3的边长，质子膜3与垫板7-Ⅰ、Ⅱ和硅胶垫片8-Ⅰ、Ⅱ构成质子膜组件，两个硅胶垫圈6-Ⅰ、Ⅱ分别位于阳极室1和阴极室2与质子膜组件之间，组装后通过紧固螺栓连接固定，所述阳极4为碳纸；阴极5为碳纸，阴极表面镀有0.5mg/cm²的Pt催化剂；质子膜为Nafion117膜。

本发明所述微生物燃料电池的阳极室中包括阳极溶液，阳极溶液可以富含有机物的高COD值的有机污水，也可以是微生物容易利用的模拟废水如葡萄糖、乙酸钠等；所述微生物燃料电池的阴极室中包括阴极溶液，在向阴极腔室中加入阴极溶液后，阴极溶液提供电子受体，保证电池电极完成反应。本发明阴极溶液为钠盐缓冲液，阴极溶液也可以为本领域常用的氧化还原电位低于阳极室溶液的溶液。阴极需要通入氧气或空气，阴极室内通入的气体，阻力小，能耗少，而且能提供充足的电子受体，本发明利用空气泵向阴极室鼓入空气。

该微生物燃料电池处理苯胺废水的方法，步骤如下：

1)用葡萄糖启动微生物燃料电池，向微生物燃料电池中加入葡萄糖模拟废水，葡萄糖模拟废水的主要组成及含量为：葡萄糖1000mg/L，10.32g/LNa₂HPO₄·12H₂O，3.32g/LNaH₂PO₄，0.31g/LNH₄Cl，0.13g/LKCL。阳极室加入葡萄糖模拟废水后，先通入20分钟氮气，以保证阳极室内厌氧环境，加入厌氧污泥作为接种液，燃料和接种污泥比例为10∶1。阳极溶液和厌氧污泥的总体积约占阳极室总容积的95％。阴极溶液为pH＝7的钠盐缓冲液，阴极溶液的组成及含量为：14.365g/LNaH₂PO₄·2H₂O，10g/LNaHCO₃。阴极室缓冲液的加入体积占阴极室总容量的95％。反映器放在恒温槽内，温度为(30±0.1)℃。当电压降低至50mV时，更换阳极溶液，直至微生物燃料电池的输出电压稳定。

2)电池启动成功后，将葡萄糖的浓度降低至500mg/L，运行一个周期；阳极溶液更换为葡萄糖和苯胺的混合溶液，苯胺的浓度保持500mg/L不变，葡萄糖的浓度依次更换为500mg/L、300mg/L和100mg/L，苯胺和葡萄糖不同比例下均运行一个周期。

3)更换阳极溶液以500mg/L的苯胺作为单一燃料，研究苯胺作为单一电子供体时，MFC的产电性能和苯胺的降解率。苯胺和COD的采样频率为每天一次，用HPLC测苯胺的含量，COD的测定采用GB11914-89水质-化学需氧量测定-重铬酸钾法。

本实验中MFC利用苯胺和葡萄糖作为混合燃料产电是可行的，苯胺和葡萄糖在不同的浓度配比下的产电性能如图2所示，苯胺浓度保持不变的情况下，随着葡萄糖浓度的降低，MFC的最大输出功率密度降低。不同的浓度配比下COD和苯胺的去除率如图3所示，由图3可以看出葡萄糖和苯胺的降解是同步进行的，葡萄糖的含量对苯胺的降解影响不大。本实验同时比较了MFC和传统的厌氧生物方法对苯胺废水降解效率的不同。以500mg/L葡萄糖+500mg/L苯胺为初始浓度的条件下，其中一个MFC断开外电路，使其为开路状态，比较MFC和厌氧生物方法对苯胺的降解速率。MFC和厌氧生物两种状态下对苯胺的降解率如图4所示。由图4可以看出MFC在闭路状态下经过5天对苯胺的去除率达到72.8％，开路厌氧状态下，经过5天苯胺的去除率为62％。可以看出闭路状态下苯胺的降解速率高于开路厌氧状态下苯胺的降解速率约10％，表明在MFC中闭路状态下可能会促进微生物对苯胺的降解。

本发明的有益效果是：1)本发明的微生物燃料电池处理苯胺废水方法，比传统的厌氧生物处理方法处理效率高约10％；2)苯胺和葡萄糖在不同浓度配比下COD的去除率达到73％～77％，苯胺的去除率在71％～74.4％，苯胺和葡萄糖的降解是同步的，以500mg.L^-1苯胺为单一燃料时苯胺的降解率为74％；3)降解苯胺的同时稳定的向外输出电能。苯胺和葡萄糖的质量浓度比为浓度之比为1∶1、3∶5、1∶5时，MFC的最大输出电压分别为430mV、402mV、390mV；最大输出功率功率密度分别为205mW/m²、180mW/m²、169mW/m²。以500mg/L苯胺为单一燃料时，MFC的最大输出电压为280mv，最大输出功率为87mW/m²。本发明可以在葡萄糖和苯胺为共基质的情况下，驯化微生物使其能在降解苯胺的同时向外输出电能，处理废水的同时进行资源回收。本发明的微生物燃料电池运行稳定，阳极微生物经过不断的驯化后，具有电化学活性微生物不断的在阳极富集起来，微生物降解苯胺的同时稳定的向外输出电能。本发明对苯胺有较好的去除效果的同时有稳定的电能输出，是一种高效的、无污染的处理苯胺废水的新方法。

Claims (2)

1.一种微生物燃料电池，由阳极室、阴极室、质子膜、阳极、阴极、硅胶垫圈、垫板和硅胶垫片构成，阳极室和阴极室均为封头式圆筒结构，圆筒部分即为反应室，在阳极室和阴极室的圆筒上部分别设有电极插孔，阳极反应室和阴极反应室内分别设置阳极和阴极并通过导线分别从电极插孔密封引出，质子膜呈正方形，其夹在两个硅胶垫片之间并通过两个垫板固定，硅胶垫片和垫板的中心均开有正方形方孔，方孔的边长小于质子膜的边长，质子膜与垫板和硅胶垫片构成质子膜组件，两个硅胶垫圈分别位于阳极室和阴极室与质子膜组件之间，组装后通过紧固螺栓连接固定，其特征在于：所述阳极为碳布、碳纸、玻璃碳、发泡镍、碳纤维、碳纳米管、储氢合金、颗粒石墨或石墨毡；阴极为碳布、碳纸或石墨，阴极表面镀有0.10mg/cm²-0.7mg/cm²的Pt催化剂。

2.一种如权利要求1所述微生物燃料电池处理苯胺废水的方法，其特征在于：步骤如下：

1)将葡萄糖模拟有机废水注入微生物燃料电池内，在反应温度时30℃-40℃条件下，外接1000Ω电阻，利用厌氧污泥启动微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的葡萄糖模拟废水，待负载电压稳定在400mV以上，微生物燃料电池启动成功；

2)微生物燃料电池成功启动后，阳极室中葡萄糖废水换成苯胺和葡萄糖的混合溶液，测定苯胺、阳极室中COD的降解率和电池的产电性能；

3)减少阳极室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作为单一电子供体。

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