CN102340015A - 能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统 - Google Patents
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Abstract
能够同时产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，包括被双极膜分隔成阳极室和阴极室的的电解池，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接，阳极由产电微生物及阳极基底组成，阴极采用电化学惰性的金属钛、铂或碳材料制成，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有强酸溶液。本发明通过隔膜技术，分隔阳极室和阴极室的pH梯度，将阴极析氢电位提高，同时保持阳极产电微生物氧化污水中有机物的活性，将能实现在阳极处理污水中的有机物的同时在阴极产生氢气，同时由于阴极电位提高，该反应可自发发生，向外输出电能。
Description
技术领域
本发明属于环境保护水处理领域/应用化学/新能源领域，具体涉及一种能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统。
背景技术
微生物燃料电池技术能够将污水中有机物所含的能量转换成电能收集起来。但目前微生物燃料电池技术在依靠阳极产电微生物处理污水的同时，阴极往往是将氧气还原成水，总的反应是有机物被氧气氧化成了水和二氧化碳。随着能源危机及清洁能源的需求增加，氢气作为一种高热值的清洁能源物质而备受人们关注，它的各种制备技术如太阳能光解水法、微生物发酵法、生物质超临界气化、石油裂解等也引起了人们的注意。但从污水中提取氢能的技术却很少报道，由于污水中有机物在阳极被氧化的电位显示一定的负值，而在同样条件下阴极析出氢气的电位也偏负，该反应不能自发发生，要想提取出污水中有机物质中的氢气需要施加额外的能量。因此有人将污水中的能量通过微生物电解池技术以氢气的形式提取出来，微生物电解池需要额外施加电能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，该系统结构简单、能够方便、高效的同时进行产电、产氢及污水处理。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括电解池以及设置在电解池内将电解池分为阳极室和阴极室的双极膜，双极膜由阴离子交换膜和阳离子交换膜复合而成，其中阳离子交换膜位于阴极室，而阴离子交换膜位于阳极室，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和阴极，阳极与阴极通过导线与电阻相连接，阳极由产电微生物及阳极基底组成，阴极采用电化学惰性的金属钛、铂或碳材料制成，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有强酸溶液。
所述的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、炭纸、玻璃碳、炭黑或石墨。
所述的含有机污染物的污水为含羧酸盐、葡萄糖、淀粉、蛋白质或氨氮的可生化降解有机物的废水。
所述的碳材料为石墨、玻璃碳、炭黑、碳毡、炭纸或炭布。
所述的强酸为硫酸、磷酸、高氯酸、盐酸或硝酸。
本发明通过隔膜技术，分隔阳极室和阴极室的pH梯度，将阴极析氢电位提高，同时保持阳极产电微生物氧化污水中有机物的活性，将能实现在阳极处理污水中的有机物的同时在阴极产生氢气，同时由于阴极电位提高，该反应可自发发生，向外输出电能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括电解池1以及设置在电解池1内将电解池分为阳极室6和阴极室5的双极膜7，双极膜7由阴离子交换膜8和阳离子交换膜9复合而成，其中阳离子交换膜9位于阴极室5，可以通过阳离子，而阴离子交换膜8位于阳极室6，可以透过阴离子。在阳极室6和阴极室5内分别设置有阳极2和阴极4，阳极2与阴极4通过导线与电阻3相连接，阳极2由产电微生物及阳极基底组成，产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、玻璃碳、炭黑、炭布、炭纸或石墨，此类阳极基底能使产电微生物附着并能将微生物氧化有机物产生的电子转移到外电路。阴极4采用电化学惰性的金属钛、铂或碳材料制成，所述的碳材料为石墨、玻璃碳、炭黑、炭毡、炭纸或炭布，在阳极室6内盛放有含有机污染物的污水，阴极室8内盛放有强酸溶液，其中含有机污染物的污水为含羧酸盐、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白质等可生化降解有机物的废水，强酸为硫酸、磷酸、高氯酸、盐酸或硝酸。
实施例：以炭布作阳极基底，碳布上预先采用微生物燃料电池的阳极培养方法附着了产电微生物，以双极膜隔开阴极室和阳极室，阳极室为圆柱形尺寸为直径2cm长3cm，上留一小孔作为取样检测用，阳极室装有约25mlCOD为1200mg/L的乙酸钠的模拟废水；阴极室也为圆柱形上有一孔作为取样检测用，尺寸同阳极室，装满0.1M硫酸溶液，pH约为1，阴极材料为2cm*0.4cm铂片。阴极和阳极通过一个100欧姆的电阻用导线连接。检测电阻两端的电压，稳定时约为5mV，经过10h的处理，电阻两端电压降为1mV，合计放电约0.8库仑，放出电能约3.2*10-3焦耳，检测阳极室废水COD为300mg/L，COD被去除了75％。从阴极室侧收集氢气约50umol。
本发明包括在同一个电化学池污水中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子与双极膜中离解出来的氢氧根结合成水，而电子通过外电路传导到阴极，产生电能；电子在阴极能将阴极室中的质子还原成氢气。通过本发明的实施，可以实现同时在阳极室处理污水和在阴极室产生氢气并向外电路输出电能的效果。
Claims (5)
1.能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：包括电解池(1)以及设置在电解池(1)内将电解池分为阳极室(6)和阴极室(5)的双极膜(7)，双极膜(7)由阴离子交换膜(8)和阳离子交换膜(9)复合而成，其中阳离子交换膜(9)位于阴极室(5)，而阴离子交换膜(8)位于阳极室(6)，在阳极室(6)和阴极室(5)内分别设置有阳极(2)和阴极(4)，阳极(2)与阴极(4)通过导线与电阻(3)相连接，阳极(2)由产电微生物及阳极基底组成，阴极(4)采用电化学惰性的金属钛、铂或碳材料制成，所述的阳极室(6)内盛放有含有机污染物的污水，阴极室(8)内盛放有强酸溶液。
2.根据权利要求1所述的能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：所述的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、炭纸、玻璃碳、炭黑或石墨。
3.根据权利要求1所述的能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：所述的含有机污染物的污水为含羧酸盐、葡萄糖、淀粉、蛋白质或氨氮的可生化降解有机物的废水。
4.根据权利要求1所述的能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：所述的碳材料为石墨、玻璃碳、炭黑、碳毡、炭纸或炭布。
5.根据权利要求1所述的能够同时实现产电、产氢及污水处理的微生物电化学系统，其特征在于：所述的强酸为硫酸、磷酸、高氯酸、盐酸或硝酸。
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