CN102603039A - 耦合脱盐方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合脱盐方法及装置。该装置包括微生物燃料电池1、电吸附脱盐装置2和外电路3；其中，所述微生物燃料电池1为电源；所述微生物燃料电池1与所述电吸附脱盐装置2通过导线连接；所述微生物燃料电池1与所述电吸附脱盐装置2和所述外电路3构成回路。该脱盐方法在传统电去离子装置的基础上，利用环境友好的微生物燃料电池作为电源，通过电场对离子和带电粒子的定向吸附实现脱盐，同时利用电去离子装置电极再生过程的能量促进微生物燃料电池中的物质传递，从而提高产电，最终实现有机物和带电粒子的同时和高效去除。

Description

耦合脱盐方法及装置
技术领域
本发明涉及一种耦合脱盐方法及装置。
背景技术
水资源与能源都是人类赖以生存的重要资源，随着工业社会的快速发展和人口的急速增长，人类对这两种资源的需求与日俱增，供应危机日益凸显。根据经济合作与发展组织和联合国的报道，目前全球25个地区中3.5亿人口缺水，当2025年时将增加至52个国家的3.9亿人口。此外全世界每年被污染的淡水约占总流量的14％以上，进一步加剧了水资源短缺的程度。为了扩大淡水来源，人们使用蒸馏法、电渗析及反渗透等技术进行海水淡化，而为了解决水污染问题，人们又尝试了各种污水净化方法。然而上述技术均存在能耗高的问题，在能源日益紧缺的背景下，水资源问题将愈加棘手。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是近年诞生的一种集污水净化、和产电于一身的水处理新技术，其基本原理是在产电微生物的作用下在阳极净化有机废水，将化学能转化为电能。电吸附脱盐(Capacitive Deionization，简称CDI)也是近年来兴起的一种低能耗且适宜于处理低浓度盐水的脱盐技术，其基本原理是利用多孔材料作为电极，当施以一定的外加直流电场时，阴阳离子便在电场力的作用下迁移至电极表面形成双电层，得以去除。
发明内容
本发明的目的是提供一种耦合脱盐方法及装置。
本发明提供的脱盐装置，包括微生物燃料电池1、电吸附脱盐装置2和外电路3；
其中，所述微生物燃料电池1为电源；
所述微生物燃料电池1与所述电吸附脱盐装置2通过导线连接；所述微生物燃料电池1与所述电吸附脱盐装置2和所述外电路3构成回路。
上述脱盐装置中，所述微生物燃料电池1包括阳极室4和阴极室5；
所述电吸附脱盐装置2包括集电板和电极板。
所述集电板由集电板正极6和集电板负极7组成；
所述电极板由电极板正极8和电极板负极9组成；
所述集电板正极6与所述电极板正极8贴合，所述集电板负极7与所述电极板负极7贴合，且所述电极板正极8和所述电极板负极9相对。
外电路3由导线及外阻构成。
当然，上述脱盐装置也可只由上述部件组成。
构成所述集电板的材料选自钛和石墨中的至少一种；
所述电吸附脱盐装置2为正极和负极相对放置的平板型装置；构成所述电极板的材料为多孔碳；所述多孔碳选自炭气凝胶、活性碳纤维布、活性炭布、电纺碳纤维和碳纳米管中的至少一种；多孔碳的比表面积较大，能够提供较大的吸附容量，有利于提高脱盐效率。
所述微生物燃料电池为化学阴极型微生物燃料电池和生物阴极型微生物燃料电池中的至少一种；
上述本发明提供的脱盐装置在脱盐中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明还提供了一种脱盐方法，该方法包括如下步骤：将前述装置中的所述阳极室4与所述集电板负极7通过导线相连，所述阴极室5与所述集电板正极6通过所述外电路3相连后，将待处理的含盐液体通入由所述电极板正极8和电极板负极9组成的腔体内进行脱盐；所述电极板正极8和电极板负极9之间的电压由所述微生物燃料电池1提供。
上述脱盐方法中，所述待处理的含盐液体选自离子型废水和带电粒子型废水中的至少一种。
所述脱盐方法还包括如下再生步骤：在所述脱盐步骤之后，将前述装置中的所述阳极室4与集电板正极6通过导线相连，所述阴极室5与所述集电板负极7通过所述外电路3相连，完成所述再生；
或者，将所述集电板正极6和集电板负极7短接，完成所述再生。
所述电极板正极8和电极板负极9之间的电压为0.7～0.9V。脱盐所需的时间需要根据进出水的水质进行试验确定。
上述耦合脱盐方法的原理简言之为：微生物燃料电池1给电吸附脱盐装置2充电使离子在电场力的作用下吸附到电极表面得到去除；具体为：微生物燃料电池的阳极室4保持厌氧状态，可生化处理的有机废水进入到微生物燃料电池的阳极室4，在产电微生物的作用下氧化分解得到去除，并产生电子，产电微生物将电子传递给阳极4，电子再经外电路3传递到电吸附脱盐装置的集电板负极7，形成外电流，外电流方向由电吸附脱盐装置的集电板7指向微生物燃料电池的阳极4，此时电吸附脱盐装置的电场方向由集电板6指向集电板7；将一定含盐量的含盐水流入电吸附脱盐装置2，含盐水中的阴离子和阳离子在电场力的作用下将分别向电极板正极8和电极板负极9上移动，实现脱盐。
上述脱盐方法具体可为：有机废水进入微生物燃料电池1中被产电微生物氧化分解并去除，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极，电子再经外电路传递到电吸附脱盐装置2的负极，从而在电去离子装置上形成电势差；待处理的离子型废水推流进入电去离子装置中，在电场力的驱动下阴离子和阳离子分别被吸附在正极和负极上，从而实现去离子化；当电去离子装置吸附饱和，将电去离子装置的正负极短接或者与微生物燃料电池反接，正负电极上的阴阳离子就会从电极上解吸下来，完成电极的再生。
本发明提供的耦合脱盐方法，在传统电吸附脱盐装置的基础上，利用环境友好的微生物燃料电池作为电源，通过电场对离子和带电粒子的定向吸附实现脱盐，同时利用电去离子装置电极再生过程的能量促进微生物燃料电池中的物质传递，从而提高产电，最终实现有机物和带电粒子的同时和高效去除。
附图说明
图1为本发明提供的耦合脱盐装置的结构示意图。其中，1微生物燃料电池、2电吸附脱盐装置、3外电路、4微生物燃料电池的阳极室、5微生物燃料电池阴极室、6电吸附脱盐装置集电板正极、7电吸附脱盐装置集电板负极、8电吸附脱盐装置电极板正极、9电吸附脱盐装置电极板负极。
具体实施方式
下述结合附图对发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、脱盐装置
该脱盐装置(其结构示意图如图1所示)，包括微生物燃料电池1、电吸附脱盐装置2和外电路3；
其中，微生物燃料电池1为电源；
微生物燃料电池1与电吸附脱盐装置2通过导线连接；微生物燃料电池1与外电路3构成回路。
上述脱盐装置中，微生物燃料电池1包括阳极室4和阴极室5；
电吸附脱盐装置2包括集电板和电极板。
集电板由集电板正极6和集电板负极7组成；
电极板由电极板正极8和电极板负极9组成；
集电板正极6与电极板正极8贴合，集电板负极7与电极板负极7贴合，且电极板正极8和电极板负极9相对，中间设有分隔材料。
外电路3由导线及外阻构成。
构成集电板的材料为钛；
电吸附脱盐装置2为正极和负极相对放置的平板型装置；构成电极板的材料为电纺碳纤维；
微生物燃料电池为开路电压为0.7V的化学阴极型微生物燃料电池；
上述脱盐装置也可只由上述部件组成。
实施例2、脱盐
将实施例1装置中的的阳极室4与集电板负极7通过导线相连，阴极室5与集电板正极6通过外电路3相连后，将待处理的浓度60mg/L的含盐液体通入阳极室4进行脱盐1h，完成脱盐，脱盐效率是79％，脱盐速度是35.6mg/(L·h)。
在脱盐步骤之后，将该装置中的阳极室4与集电板正极6通过导线相连，阴极室5与集电板负极7通过外电路3相连，完成电极板的再生；
或者，将集电板正极6和集电板负极7短接，完成电极板的再生。
实施例3、脱盐
将实施例1装置中的化学阴极型微生物燃料电池替换为生物阴极型微生物燃料电池后，将该装置的阳极室4与集电板负极7通过导线相连，阴极室5与集电板正极6通过外电路3相连后，将待处理的浓度60mg/L的含盐液体通入阳极室4进行脱盐1h，完成脱盐，脱盐效率是53％，脱盐速度是13.1mg/(L·h)。
在脱盐步骤之后，将该装置中的阳极室4与集电板正极6通过导线相连，阴极室5与集电板负极7通过外电路3相连，完成电极板的再生；
或者，将集电板正极6和集电板负极7短接，完成电极板的再生。

Claims (10)

1.一种脱盐装置，包括微生物燃料电池(1)、电吸附脱盐装置(2)和外电路(3)；
其中，所述微生物燃料电池(1)为电源；
所述微生物燃料电池(1)与所述电吸附脱盐装置(2)通过导线连接；所述微生物燃料电池1与所述电吸附脱盐装置(2)和所述外电路(3)构成回路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述微生物燃料电池(1)包括阳极室(4)和阴极室(5)；
所述电吸附脱盐装置(2)包括集电板和电极板。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述集电板由集电板正极(6)和集电板负极(7)组成；
所述电极板由电极板正极(8)和电极板负极(9)组成；
所述集电板正极(6)与所述电极板正极8贴合，所述集电板负极7与所述电极板负极(7)贴合，且所述电极板正极(8)和所述电极板负极(9)相对，中间设有分隔材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于：构成所述集电板的材料选自钛和石墨中的至少一种；
构成所述电极板的材料为多孔碳；
所述微生物燃料电池为化学阴极型微生物燃料电池和生物阴极型微生物燃料电池中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述多孔碳选自炭气凝胶、活性碳纤维布、活性炭布、电纺碳纤维和碳纳米管中的至少一种。
6.权利要求1-5任一所述装置在脱盐中的应用。
7.一种脱盐方法，包括如下步骤：将权利要求1-5任一所述装置中的所述阳极室(4)与所述集电板负极7通过导线相连，所述阴极室(5)与所述集电板正极(6)通过所述外电路(3)相连后，将待处理的含盐液体通入由所述电极板正极(8)和电极板负极(9)组成的腔体内进行脱盐；所述电极板正极(8)和电极板负极(9)之间的电压由所述微生物燃料电池(1)提供。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述待处理的含盐液体选自离子型废水和带电粒子型废水中的至少一种。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述脱盐方法还包括如下再生步骤：在所述脱盐步骤之后，将权利要求1-5任一所述装置中的所述阳极室(4)与集电板正极(6)通过导线相连，所述阴极室(5)与所述集电板负极(7)通过所述外电路(3)相连，完成所述再生；
或者，将所述集电板正极(6)和集电板负极(7)短接，完成所述再生。 
10.根据权利要求7-9任一所述的方法，其特征在于：所述电极板正极(8)和电极板负极(9)之间的电压为0.7～0.9V。 
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