CN103165931B - 空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法 - Google Patents

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Abstract

空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，它涉及一种利用微生物燃料电池处理餐厨垃圾，回收能源的方法。它要解决现有餐厨垃圾的处理方法能源利用率低，易引发二次污染的问题。方法：一、碳粉与PTFE混匀，涂抹于碳布上，在马弗炉内加热；二、再涂上高浓度PTFE加热；三、再涂抹铂碳催化剂，得到载铂的碳布阴极；四、制备碳刷阳极；五、用导线将碳刷阳极、电阻和空气阴极连接，组装电池反应器；六、预处理食物渗滤液；七、配制PBS缓冲液，稀释渗滤液；八、渗滤液调至中性；九、反应器进水注入反应器，处理餐厨垃圾回收电能。利用本发明处理餐厨垃圾效率良好，COD去除率达86.4%。主要应用于餐厨垃圾的处理利用。

Description

空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微生物燃料电池处理餐厨垃圾，回收能源的方法。
背景技术
我国每年餐厨垃圾的产量超过6000万吨，北京、上海等城市日产食物垃圾超过1000吨。目前，食物垃圾主要是送至垃圾填埋场处理，然而垃圾填埋场处理占地面积较大，处理效果差，且填埋场容易产生高浓度的渗滤液污染土壤与水体，造成严重的二次污染。另外，填埋场极易产生甲烷、二氧化碳等温室气体，影响全球气候环境。此外，处理过程中产生的恶臭，又会影响人们的生活环境。传统的垃圾填埋场处理，成本高，效果较差，据统计，美国每年在处理食物垃圾上投资超过250亿美元，同样，在我国也存在着食物垃圾难处理，处理成本高等问题。
由于餐厨垃圾具有可生化降解程度高、产量大等特点，是一种极具开发潜力的新能源。当今人类面临着能源日益短缺、能源价格增高、能源利用效率较低、能源开发利用与环境保护的矛盾突出等诸多问题。故亟需寻找一种经济高效处理餐厨垃圾，同时可以有效回收其中潜在能源的新方法。近年来，微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）的兴起，已有研究以葡萄糖、乙酸、生活污水、污泥等为底物的MFC反应器可在处理底物的同时产生较稳定的电能。
发明内容
本发明目的是为了解决现有餐厨垃圾的处理方法能源利用率低，易引发二次污染的问题，而提供空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法。
本发明空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法按下列步骤实现：
一、将碳粉与体积浓度为35%～45%的PTFE（聚四氟乙烯）震荡混匀，涂抹于碳布一侧，在室温下干燥10～15min后置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min，得到处理后的碳布；
二、往处理后的碳布涂有PTFE的一侧再涂抹上体积浓度为55%～65%的PTFE，室温下冷却10～15min后再置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min；
三、重复步骤二的过程3～5次，得到碳布阴极，然后在碳布阴极上涂抹铂碳催化剂，得到载铂的碳布阴极；
四、将碳纤维均匀捆扎在钛丝周围，碳纤维沿钛丝横截面的径向分布，形成长径比为（1～1.5）:1的圆柱形碳刷阳极；
五、把步骤四得到的碳刷阳极固定到电池反应器一侧，捆扎有碳纤维的碳刷阳极作为主体部分位于电池反应器中部，在电池反应器另一侧固定步骤三得到的载铂的碳布阴极，载铂侧对电池反应器内，非载铂侧对大气，形成空气阴极，碳刷阳极的前端距离碳布阴极0.8～1.5cm，然后用导线将碳刷阳极、500～2000Ω电阻和空气阴极连接，再用防水胶将电池反应器密封，完成单室空气阴极微生物燃料电池反应器的组装；
六、收集餐厨垃圾中的食物渗滤液，使用搅碎机将食物渗滤液中的有机颗粒物绞碎，去除食物渗滤液表面上的浮油，然后保存在-4℃的冰箱内待用，得到预处理后的食物渗滤液；
七、按每升去离子水中加入质量浓度为10～13g/L的Na2HPO4·12H2O，2.5～3.5g/L的NaH2PO4·2H2O，0.2～0.4g/L的NH4Cl和0.1～0.2g/L的KCl，配制PBS缓冲液，用PBS缓冲液稀释预处理后的食物渗滤液10～20倍，得到稀释的食物渗滤液；
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液调节稀释的食物渗滤液的pH至中性，得到反应器进水；
九、在室温下，反应器进水注入单室空气阴极微生物燃料电池反应器，控制进水COD为2500～4500mg/L，监测电阻两端的电压降至40～70mV时，重新注入反应器进水，完成空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾；
其中步骤三中的铂碳催化剂是由铂碳粉末、去离子水、Nafion和异丙醇制成。
本发明在进水COD负荷为3200±400mg/L的情况下，微生物燃料电池产电最高电压达到332mV，平均稳定产电时间为23h，功率密度达18W/m3，产电效果稳定良好。同时利用本发明的空气阴极微生物燃料电池反应器处理餐厨垃圾的效率良好，COD去除率达86.4%；糖、蛋白质及总氮的去除率分别为95.9%、67.1%和16.1%，去除率较高，反应器的出水可直接排放至生活污水管道，与普通生活污水一并处理，处理成本低，同时可以使用微生物燃料电池反应器的外电路回收电能，经济效率高。本发明主要应用于餐厨垃圾的处理利用。
附图说明
图1是单室空气阴极微生物燃料电池反应器的结构示意图，1—反应器外壳，2—空气阴极，3—碳刷阳极，4—钛丝，5—反应器进水口,6—反应器出水口，7—导线，8—电阻，9—阴极连接导线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合附图1对具体实施方式作进一步说明：本实施方式空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法按下列步骤实施：
一、将碳粉与体积浓度为35%～45%的PTFE（聚四氟乙烯）震荡混匀，涂抹于碳布一侧，在室温下干燥10～15min后置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min，得到处理后的碳布；
二、往处理后的碳布涂有PTFE的一侧再涂抹上体积浓度为55%～65%的PTFE，室温下冷却10～15min后再置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min；
三、重复步骤二的过程3～5次，得到碳布阴极，然后在碳布阴极上涂抹铂碳催化剂，得到载铂的碳布阴极；
四、将碳纤维均匀捆扎在钛丝周围，碳纤维沿钛丝横截面的径向分布，形成长径比为（1～1.5）:1的圆柱形碳刷阳极；
五、把步骤四得到的碳刷阳极固定到电池反应器一侧，捆扎有碳纤维的碳刷阳极作为主体部分位于电池反应器中部，在电池反应器另一侧固定步骤三得到的载铂的碳布阴极，载铂侧对电池反应器内，非载铂侧对大气，形成空气阴极，碳刷阳极的前端距离碳布阴极0.8～1.5cm，然后用导线将碳刷阳极、500～2000Ω电阻和空气阴极连接，再用防水胶将电池反应器密封，完成单室空气阴极微生物燃料电池反应器的组装；
六、收集餐厨垃圾中的食物渗滤液，使用搅碎机将食物渗滤液中的有机颗粒物绞碎，去除食物渗滤液表面上的浮油，然后保存在-4℃的冰箱内待用，得到预处理后的食物渗滤液；
七、按每升去离子水中加入质量浓度为10～13g/L的Na2HPO4·12H2O，2.5～3.5g/L的NaH2PO4·2H2O，0.2～0.4g/L的NH4Cl和0.1～0.2g/L的KCl，配制PBS缓冲液，用PBS缓冲液稀释预处理后的食物渗滤液10～20倍，得到稀释的食物渗滤液；
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液调节稀释的食物渗滤液的pH至中性，得到反应器进水；
九、在室温下，反应器进水注入单室空气阴极微生物燃料电池反应器，控制进水COD为2500～4500mg/L，监测电阻两端的电压降至40～70mV时，重新注入反应器进水，完成空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾；
其中步骤三中的铂碳催化剂是由铂碳粉末、去离子水、Nafion和异丙醇制成。
本实施方式空气阴极微生物燃料电池（MFC）由阳极、阴极及外电路组成，阴极使用金属铂作为催化剂来降低阴极反应的过电位损失。反应器阳极附近的产电微生物，以反应器的有机底物为营养物质，在微生物的新陈代谢过程中，分解利用底物，产生质子与电子，质子由反应器内部运动至空气阴极，电子则通过外电路运动至阴极。在空气阴极，质子、电子与氧气结合生成水，从而完成了底物的分解，且随着电子通过外电路的过程产生电能，并通过将食物渗滤液保存在-4℃的冰箱，起到防止食物渗滤液自发厌氧发酵变质的目的。因而，空气阴极微生物燃料电池（MFC）可在厌氧条件下，借助发酵微生物对复杂底物的降解作用和产电微生物对简单有机物分解作用对食物渗滤液进行降解，回收其中的电能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中每6cm2碳布阴极上涂抹的铂碳催化剂中的原料用量为15mg的铂碳粉末，12.48μL的去离子水，100μL的Nafion和50μL的异丙醇。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤四圆柱形碳刷阳极横截面的直径为2.5cm。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤五电池反应器的有效容积为20～40ml。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤五用导线将碳刷阳极、500Ω电阻和空气阴极连接。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤六有机颗粒物绞碎至颗粒物直径为0.5～1mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤七按每升去离子水中加入质量浓度为11.55g/L的Na2HPO4·12H2O，2.77g/L的NaH2PO4·2H2O，0.31g/L的NH4Cl，0.13g/L的KCl，配制PBS缓冲液。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
实施例一：本实施例空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法按下列步骤实施：
一、将碳粉与体积浓度为40%的PTFE（聚四氟乙烯）震荡混匀，涂抹于碳布一侧，在室温下干燥10min后置于马弗炉内，在370℃下加热处理20min，取出在室温下冷却10min，得到处理后的碳布；
二、往处理后的碳布涂有PTFE的一侧再涂抹上体积浓度为60%的PTFE，室温下冷却10min后再置于马弗炉内，在370℃下加热处理20min，取出在室温下冷却10min；
三、重复步骤二的过程3次，得到碳布阴极，然后在碳布阴极上涂抹铂碳催化剂，得到载铂的碳布阴极；
四、将碳纤维均匀捆扎在钛丝周围，碳纤维沿钛丝横截面的径向分布，形成长为2.5cm，横截面直径为2.5cm的圆柱形碳刷阳极；
五、把步骤四得到的碳刷阳极固定到有效容积为28ml的电池反应器一侧，捆扎有碳纤维的碳刷阳极作为主体部分位于电池反应器中部，在电池反应器另一侧固定步骤三得到的载铂的碳布阴极，载铂侧对电池反应器内，非载铂侧对大气，形成空气阴极，碳刷阳极的前端距离碳布阴极1cm，然后用导线将碳刷阳极、500Ω电阻和空气阴极连接，再用防水胶将电池反应器密封，完成单室空气阴极微生物燃料电池反应器的组装；
六、收集餐厨垃圾中的食物渗滤液，使用搅碎机将食物渗滤液中的有机颗粒物绞碎，去除食物渗滤液表面上的浮油，然后保存在-4℃的冰箱内待用，得到预处理后的食物渗滤液；
七、按每升去离子水中加入质量浓度为11.55g/L的Na2HPO4·12H2O，2.77g/L的NaH2PO4·2H2O，0.31g/L的NH4Cl和0.13g/L的KCl，配制PBS缓冲液，用PBS缓冲液稀释预处理后的食物渗滤液15倍，得到稀释的食物渗滤液；
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液调节稀释的食物渗滤液的pH至中性，得到反应器进水；
九、在室温下，反应器进水注入单室空气阴极微生物燃料电池反应器，控制进水COD为3200mg/L，监测电阻两端的电压降至65mV时，重新注入反应器进水，完成空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾；
其中步骤三中每6cm2碳布铂碳催化剂中原料的含量为15mg铂碳粉末，12.48μL去离子水，100μLNafion和50μL异丙醇。
本实施例以外电路中电阻两侧功率输出表征产电效能。在进水COD负荷为3200mg/L的情况下，微生物燃料电池产电最高电压达到332mV，平均稳定产电时间为23h，功率密度达18W/m3，产电效果稳定良好。同时利用空气阴极微生物燃料电池反应器处理餐厨垃圾的效率良好，COD去除率达86.4%；糖、蛋白质及总氮的去除率分别为95.9%、67.1%和16.1%，去除率较高，反应器的出水可直接排放至生活污水管道，与普通生活污水一并处理，处理成本低。

Claims (7)

1.空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法按下列步骤实现：
一、将碳粉与体积浓度为35％～45％的PTFE震荡混匀，涂抹于碳布一侧，在室温下干燥10～15min后置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min，得到处理后的碳布；
二、往处理后的碳布涂有PTFE的一侧再涂抹上体积浓度为55％～65％的PTFE，室温下冷却10～15min后再置于马弗炉内，在350～400℃下加热处理15～30min，取出在室温下冷却10～15min；
三、重复步骤二的过程3～5次，得到碳布阴极，然后在碳布阴极上涂抹铂碳催化剂，得到载铂的碳布阴极；
四、将碳纤维均匀捆扎在钛丝周围，碳纤维沿钛丝横截面的径向分布，形成长径比为1～1.5:1的圆柱形碳刷阳极；
五、把步骤四得到的碳刷阳极固定到电池反应器一侧，捆扎有碳纤维的碳刷阳极作为主体部分位于电池反应器中部，在电池反应器另一侧固定步骤三得到的载铂的碳布阴极，载铂侧对电池反应器内，非载铂侧对大气，形成空气阴极，碳刷阳极的前端距离碳布阴极0.8～1.5cm，然后用导线将碳刷阳极、500～2000Ω电阻和空气阴极连接，再用防水胶将电池反应器密封，完成单室空气阴极微生物燃料电池反应器的组装；
六、收集餐厨垃圾中的食物渗滤液，使用搅碎机将食物渗滤液中的有机颗粒物绞碎，去除食物渗滤液表面上的浮油，然后保存在-4℃的冰箱内待用，得到预处理后的食物渗滤液；
七、按每升去离子水中加入质量浓度为10～13g/L的Na2HPO4·12H2O，2.5～3.5g/L的NaH2PO4·2H2O，0.2～0.4g/L的NH4Cl和0.1～0.2g/L的KCl，配制PBS缓冲液，用PBS缓冲液稀释预处理后的食物渗滤液10～20倍，得到稀释的食物渗滤液；
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液调节稀释的食物渗滤液的pH至中性，得到反应器进水；
九、在室温下，反应器进水注入单室空气阴极微生物燃料电池反应器，控制进水COD为2500～4500mg/L，监测电阻两端的电压降至40～70mV时，重新注入反应器进水，完成空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾；
其中步骤三中的铂碳催化剂是由铂碳粉末、去离子水、Nafion和异丙醇制成。
2.根据权利要求1所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤三中每6cm2碳布阴极上涂抹的铂碳催化剂中的原料用量为15mg的铂碳粉末，12.48μL的去离子水，100μL的Nafion和50μL的异丙醇。
3.根据权利要求1或2所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤四圆柱形碳刷阳极横截面的直径为2.5cm。
4.根据权利要求1所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤五电池反应器的有效容积为20～40ml。
5.根据权利要求4所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤五用导线将碳刷阳极、500Ω电阻和空气阴极连接。
6.根据权利要求5所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤六有机颗粒物绞碎至颗粒物直径为0.5～1mm。
7.根据权利要求6所述的空气阴极微生物燃料电池处理餐厨垃圾回收电能的方法，其特征在于步骤七按每升去离子水中加入质量浓度为11.55g/L的Na2HPO4·12H2O，2.77g/L的NaH2PO4·2H2O，0.31g/L的NH4Cl，0.13g/L的KCl，配制PBS缓冲液。
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