CN102810682A - 利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池和方法。该电池包括阳极电极、阳极电极液和阴极电极，所述的阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。该方法包括配置微生物燃料电池，启动并运行微生物燃料电池，利用微生物燃料电池处理有机废水，所述微生物燃料电池，其阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。本发明将有机废水中的有机物富集于生物炭中，配制生物炭与有机废水的混合液作为微生物燃料电池的阳极电极液，这样可提高微生物燃料电池放电电压优势，解决了微生物燃料电池处置废水过程中难以规模化放大的问题，有利于微生物燃料电池的规模化应用。
Description
技术领域：
本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种利用生物炭富集作用增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池和方法。
背景技术：
有机废水微生物燃料电池处理技术是一种利用微生物氧化有机物将化学能转变为电能的新型环保技术。该技术应用于有机废水的处理，可实现处理废水同时回收废水中能量，达到环境保护及能源利用的双重效果。目前，已有各种有关微生物电池处理有机废水的专利，例如“微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法”（CN101145620），“微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统”（CN101118973），“一种无介质微生物燃料电池”（CN1889297A），“一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池”。然而现有的微生物燃料电池处理技术均存在放电电压过小的问题，难以实现微生物燃料电池处置有机废水规模化应用，限制了微生物燃料电池的发展。因此，需要提高阳极液的有机物浓度，进而增强微生物燃料电池放电电压的目的。生物炭是污泥或农林废弃物在缺氧气氛下热解得到的固态产物，具有良好的孔隙结构，可以吸附有机废水中的有机物，然而，此种方法只是将有机物富集转移，并未将有机物彻底消除。
发明内容：
本发明的目的是提供一种能够提高微生物燃料电池放电电压的利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池和方法。
本发明的利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池，包括阳极电极、阳极电极液和阴极电极，其特征在于，所述的阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。
所述的吸附有有机物的生物碳优选是将生物碳浸泡在循环流动的有机废水中，浸泡时间为6~8小时。
所述的有机废水为生活污水或来自以农牧产品为原料的工业废水。
所述的生物炭优选通过以下方法制备：生物炭原料首先经过热解，然后再活化，最后经酸洗处理得到生物炭；所述的热解为：热解保护气为氮气，加热速率为10-15℃/min，热解终温温度为600-700℃，热解时间为1.5-2h；所述的活化为：活化气体为二氧化碳，活化温度为750-850℃，活化时间为1-1.5h；所述的酸洗为：采用1.0-1.5mol/L盐酸溶液酸洗。
所述的含有吸附有有机物的生物碳的有机废水，其包括吸附有有机物的生物碳与有机废水，其固液质量比为1：4~5，pH值为7.0。
本发明的利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的方法，包括配置微生物燃料电池，启动并运行微生物燃料电池，利用微生物燃料电池处理有机废水，其特征在于，所述微生物燃料电池，其阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。
所述的吸附有有机物的生物碳优选是将生物碳浸泡在循环流动的有机废水中，浸泡时间为6~8小时。
所述的有机废水为生活污水或来自以农牧产品为原料的工业废水。
所述的生物炭优选通过以下方法制备：生物炭原料首先经过热解，然后再活化，最后经酸洗处理；所述的热解为：热解保护气为氮气，加热速率为10-15℃/min，热解终温温度为600-700℃，热解时间为1.5-2h；所述的活化为：活化气体为二氧化碳，活化温度为750-850℃，活化时间为1-1.5h；所述的酸洗为：采用1.0-1.5mol/L盐酸溶液酸洗。
所述的含有吸附有有机物的生物碳的有机废水，其包括吸附有有机物的生物碳与有机废水，其固液质量比为1：4~5，pH值为7.0。
所述的微生物燃料电池处理有机废水，在处理完毕后，将阳极电极液取出，过滤，收取滤渣，然后在100-105℃干燥后得到重生后的生物炭。
与现有技术相比，本发明将有机废水中的有机物富集于生物炭中，配制生物炭与有机废水的混合液作为微生物燃料电池的阳极电极液，这样可提高微生物燃料电池放电电压优势，解决了微生物燃料电池处置废水过程中难以规模化放大的问题，有利于微生物燃料电池的规模化应用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
图2是实施例1的微生物燃料电池的运行效果图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
一种利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的方法，该方法包括以下步骤：
①生物炭制备：在氮气气氛，加热速率为10℃/min，终温为700℃，停留时间为2h的条件下热解广州市市政污水厂脱水机房污泥，接着在二氧化碳气氛下，以850℃，停留1h的条件下活化，接着采用1.0mol/L的盐酸酸洗得到生物炭。
②有机物吸附：将步骤①得到的生物炭浸泡在循环流动的生活污水中，浸泡时间为8h，得到吸附有有机物的生物炭。
③阳极电极液配制：将步骤②得到的吸附有有机物的生物炭与生活污水按照固液质量比为1：5混合，并采用盐酸或氢氧化钠调节其pH至7.0，从而得到阳极电极液。
④微生物燃料电池的配置：该微生物燃料电池为单室微生物燃料电池，包括阳极室、阳极电极、阴极电极和质子交换膜，在阳极室中具有碳毡的阳极电极，阳极电极与阴极电极通过外电路相连，阴极电极为热压在阳离子交换膜一侧的碳纤维布，阳极室与阴极电极通过阳离子交换膜分开。
⑤微生物燃料电池的启动：将浓度为500mg/L的葡萄糖溶液注入微生物燃料电池的阳极室内，利用厌氧污泥作为接种液启动微生物燃料电池。
⑥微生物燃料电池的驯化和运行：依次将1/3、1/2、1体积的葡萄糖溶液更换为步骤③配置好的阳极电极液，然后利用该微生物燃料电池处理生活污水。
⑦生物炭再生：微生物燃料电池处理完毕后，将微生物燃料电池的阳极电极液取出，过滤的滤渣即为生物炭，然后在105℃干燥后得到重生后的生物炭。
结合图2对实施例1在提高微生物燃料电池放电电压方面的效果进行说明。图2中的阳极液分别为普通生活污水，吸附了有机物的生物炭与生活污水混合液的微生物燃料电池输出电压在运行周期内的变化曲线，可以看出，整个微生物燃料电池运行周期为150h，稳定运行周期为130h，放电电压分别为0.396和0.577V，阳极液改为吸附了有机物的生物炭与生活污水混合液后，放大电压升高1.49倍。此运行期间，阳极室分别填充0.28L阳极电极液，外电路接1000Ω负载电阻，环境温度为(30±1)℃。
实施例2：
一种利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的方法，该方法包括以下步骤：
①生物炭制备：在氮气气氛，加热速率为15℃/min，终温为600℃，停留时间为1.5h的条件下热解广州市市政污水厂脱水机房污泥，接着在二氧化碳气氛下，以750℃，停留1.5h的条件下活化，接着采用1.5mol/L的盐酸酸洗得到生物炭。
②有机物吸附：将步骤①得到的生物炭浸泡在循环流动的生活污水中，浸泡时间为6h，得到吸附有有机物的生物炭。
③阳极电极液配制：将步骤②得到的吸附有有机物的生物炭与生活污水按照固液质量比为1：4混合，并采用盐酸或氢氧化钠调节其pH至7.0，从而得到阳极电极液。
④微生物燃料电池的配置：该微生物燃料电池为单室微生物燃料电池，包括阳极室、阳极电极、阴极电极和质子交换膜，在阳极室中具有碳毡的阳极电极，阳极电极与阴极电极通过外电路相连，阴极电极为热压在阳离子交换膜一侧的碳纤维布，阳极室与阴极电极通过阳离子交换膜分开。
⑤微生物燃料电池的启动：将浓度为500mg/L葡萄糖溶液注入微生物燃料电池的阳极室内，利用厌氧污泥作为接种液启动微生物燃料电池。
⑥微生物燃料电池的驯化和运行：依次将1/3、1/2、1体积的葡萄糖溶液更换为步骤③配置好的阳极电极液，然后利用该微生物燃料电池处理生活污水。
⑦生物炭再生：微生物燃料电池处理完毕后，将微生物燃料电池的阳极电极液取出，过滤的滤渣即为生物炭，然后在100℃干燥后得到重生后的生物炭。
本实施例的微生物燃料电池，其阳极液为含有吸附有有机物的生物碳的生活废水，运行结果显示，与未添加吸附有有机物的生物碳的生活污水相比，其放大电压显著升高。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例，其目的是为了说明实施本发明方法所取得的显著效果。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的微生物燃料电池，包括阳极电极、阳极电极液和阴极电极，其特征在于，所述的阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的吸附有有机物的生物碳是将生物碳浸泡在循环流动的有机废水中，浸泡时间为6~8小时。
3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的有机废水为生活污水或来自以农牧产品为原料的工业废水。
4.根据权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的生物炭是通过以下方法制备：生物炭原料首先经过热解，然后再活化，最后经酸洗处理得到生物炭；所述的热解为：热解保护气为氮气，加热速率为10-15℃/min，热解终温温度为600-700℃，热解时间为1.5-2h；所述的活化为：活化气体为二氧化碳，活化温度为750-850℃，活化时间为1-1.5h；所述的酸洗为：采用1.0-1.5mol/L盐酸溶液酸洗。
5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的含有吸附有有机物的生物碳的有机废水，其包括吸附有有机物的生物碳与有机废水，其固液质量比为1：4~5，pH值为7.0。
6.一种利用生物炭增强微生物燃料电池放电电压的方法，包括配置微生物燃料电池，启动并运行微生物燃料电池，利用微生物燃料电池处理有机废水，其特征在于，所述微生物燃料电池，其阳极电极液为含有吸附有有机物的生物碳的有机废水。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的吸附有有机物的生物碳是将生物碳浸泡在循环流动的有机废水中，浸泡时间为6~8小时。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的有机废水为生活污水或来自以农牧产品为原料的工业废水。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的生物炭是通过以下方法制备：生物炭原料首先经过热解，然后再活化，最后经酸洗处理；所述的热解为：热解保护气为氮气，加热速率为10-15℃/min，热解终温温度为600-700℃，热解时间为1.5-2h；所述的活化为：活化气体为二氧化碳，活化温度为750-850℃，活化时间为1-1.5h；所述的酸洗为：采用1.0-1.5mol/L盐酸溶液酸洗。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的含有吸附有有机物的生物碳的有机废水，其包括吸附有有机物的生物碳与有机废水，其固液质量比为1：4~5，pH值为7.0。
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