CN103354291B - 可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物燃料电池阳极的表面处理方法，旨在提供一种可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法。包括：将碳材料置于异丙醇溶液中浸渍，用去离子水冲洗后置于烘箱中完全烘干；将样品制成电极形状，置于阳极倒出液或甲酸溶液中浸渍，用去离子水冲洗后，置于烘箱中烘干，即得到处理好的阳极材料。本发明与未处理的碳材料相比，可以大大提高MFC的产电功率，减小阳极极化；处理方法简单，不需要复杂设备，处理效果稳定，利于大批量生产；可大大降低微生物燃料电池的构造成本，便于扩大化应用。

Description

可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法
技术领域
本发明涉及一种微生物燃料电池阳极的表面处理方法，属于新能源与污水处理领域。
背景技术
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, 简称MFC）是一种利用微生物为催化剂，直接将储存在废水中的化学能转化为电能的装置。在污水处理、电解制氢、微生物传感器、海水淡化等方面具有巨大的应用潜力。然而，目前微生物燃料电池的输出功率密度很低，且制造成本较高，大大限制了其实际应用。如何提高MFC的产电性能是实现该技术实用化的关键。
微生物燃料电池的阳极肩负着附着微生物并传递电子的作用，是决定MFC产电能力的重要因素。微生物的生长和附着、有机物的氧化速率和电子传递效率都与阳极材料性质密切相关。目前最常用的阳极材料主要是碳基材料，如碳布、碳毡、碳纸、石墨棒（片）、碳纤维刷等。然而，普通碳材料表面的电催化活性以及电子传递能力都较差，造成了较大的阳极活化过电势。因此为了降低阳极活化过电势，进一步提高阳极的产电性能，必需对阳极材料表面进行处理或者修饰。已有报道的阳极处理方法包括高温氨气处理、HNO3 或H2SO4强氧化处理、在阳极表面嵌入碳纳米管、金属氧化物、导电聚合物等。这些方法虽然能提高阳极的产电性能，但制作过程复杂，往往需要特殊设备，且制作成本较高，因此难以大规模应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法。该方法能有效提高微生物燃料电池的功率输出，易于实现大规模应用，为MFC的扩大化和实用化奠定了良好的基础。
本发明的阳极处理方法通过下述技术方案实现：
提供一种可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法，包括以下步骤：
（1）将碳材料置于体积分数5%~60%的异丙醇溶液中浸渍8~24 h；
（2）将步骤（1）所得碳材料用去离子水冲洗5~10次后，置于烘箱中，在80~150oC下完全烘干；
（3）将步骤（2）所得样品制成电极形状，置于阳极倒出液或甲酸溶液中浸渍8~12h；
（4）将步骤（3）所得的样品用去离子水冲洗5~10次后，置于烘箱中，在80~110oC下烘干6~8h，即得到处理好的阳极材料；
所述甲酸溶液质量浓度为10%~88%；
所述阳极倒出液是指微生物燃料电池使用后的阳极液；该阳极液在使用前的组分为：磷酸盐缓冲液、0.31 g L-1的NH4Cl、0.13 g L-1的KCl、12.5 mL L-1的矿物质溶液和1 g L-1的乙酸钠；该阳极液在微生物燃料电池的阳极室中被微生物消耗利用，当溶液COD降到80~120mg L-1以下或产电电压降到10~40 mV以下时，阳极室中的剩余溶液即为所述阳极倒出液；其中，所述磷酸盐缓冲液由11.47 g L-1的Na2HPO4·12H2O和2.75 g L-1的NaH2PO4·2H2O组成，其pH值等于7；所述产电电压是指在使用100Ω~1000Ω外阻时的产电电压；所述矿物质溶液成分为：次氮基三乙酸酯（1.5 g L-1）、MgSO4·7H2O（6.15 gL-1）、MnSO4·H2O（0.5 g L-1）、NaCl（1 g L-1）、FeSO4·7H2O（0.1 g L-1）CaCl2·2H2O （0.1 g L-1）、CoCl2·6H2O（0.1 g L-1）、ZnCl2（0.13 g L-1）、CuSO4·5H2O（0.01 g L-1）、AlK(SO4)2·12H2O（0.01 g L-1）、H3BO3（0.01 g L-1）、Na2MoO4·2H2O（0.054 g L-1）、NiCl2·6H2O（0.024 g L-1）、Na2WO4·2H2O（0.025 g L-1），余量为水。
本发明中，所述碳材料是碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、碳毡、活性炭颗粒或石墨颗粒中的任意一种。
本发明中，在步骤（3）中进行浸渍时，根据电极形状的不同，浸渍比有所区别：平面电极的浸渍比为0.5~4 mLcm-2，刷状或块状电极的浸渍比为1~5 mLcm-3。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用甲酸或阳极倒出液对微生物燃料电池阳极碳材料进行表面处理，具有以下优点：
（1）与未处理的碳材料相比，以甲酸或阳极倒出液处理过的碳材料作为微生物燃料电池的阳极，可以大大提高MFC的产电功率，减小阳极极化。
（2）处理方法简单，不需要复杂设备，处理效果稳定，利于大批量生产。
（3）以阳极倒出液为处理试剂，实现了废物资源化利用；甲酸价格低廉、来源广泛，因此该方法可大大降低微生物燃料电池的构造成本，便于扩大化应用。
附图说明
图1为使用未处理、实施例1、实施例4的阳极材料时，微生物燃料电池的功率密度曲线。
图2为未处理、实施例1、实施例4阳极的极化曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，其目的在于更好地解释本发明而非对本发明的限制。
本发明中，可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法，包括以下步骤：
（1）将碳材料置于体积分数5%~60%的异丙醇溶液中浸渍8~24 h；
（2）将步骤（1）所得碳材料取出后用大量去离子水冲洗5~10次，然后在80~150oC下完全烘干；
（3）将获得的样品制成电极形状，置于阳极倒出液或甲酸溶液中浸渍8~12h；
（4）取出后用大量去离子水冲洗5~10次。最后将样品置于烘箱中，在80~110oC下烘干6~8 h，即得到处理好的阳极材料。
具体实施例的参数见下表：
1碳材料在阳极倒出液或甲酸中浸渍之前
2碳材料在阳极倒出液或甲酸中浸渍之后
本发明中，用于浸渍的试剂可以是阳极倒出液或甲酸溶液。
其中，甲酸溶液质量浓度为10%~88%；
阳极倒出液是指微生物燃料电池使用后的阳极液；该阳极液在使用前的组分为：磷酸盐缓冲液、0.31 g L-1的NH4Cl、0.13 g L-1的KCl、12.5 mL L-1的矿物质溶液和1 g L-1的乙酸钠；该阳极液在微生物燃料电池的阳极室中被微生物消耗利用，当溶液COD降到80~120 mg L-1以下或产电电压降到10~40 mV以下时，阳极室中的剩余溶液即为所述阳极倒出液；其中，所述磷酸盐缓冲液由11.47 gL-1的Na2HPO4·12H2O和2.75 g L-1的NaH2PO4·2H2O组成，其pH值等于7；所述产电电压是指在使用100Ω~1000Ω外阻时的产电电压；所述矿物质溶液成分为：次氮基三乙酸酯（1.5 g L-1）、MgSO4·7H2O（6.15 g L-1）、MnSO4·H2O（0.5 g L-1）、NaCl（1 g L-1）、FeSO4·7H2O（0.1 g L-1）CaCl2·2H2O （0.1 g L-1）、CoCl2·6H2O（0.1 g L-1）、ZnCl2（0.13 g L-1）、CuSO4·5H2O（0.01 g L-1）、AlK(SO4)2·12H2O（0.01 g L-1）、H3BO3（0.01 gL-1）、Na2MoO4·2H2O（0.054 g L-1）、NiCl2·6H2O（0.024 gL-1）、Na2WO4·2H2O（0.025 g L-1），余量为水。
验证本发明的阳极处理方法对MFC产电性能的影响，具体过程如下：
第一步：微生物燃料电池的组装、启动和运行。
采用单室空气阴极MFC，反应器腔体为圆柱形，长2 cm，横截面面积7 cm2，总体积14 mL。阳极和阴极分别置于反应器的两端，阳极采用上述方法处理过或未处理的碳材料，阴极采用空气阴极，空气阴极内侧放置一片2 cm 厚的玻璃纤维。外电路连接1000Ω电阻，输出电压通过数据采集仪自动记录到计算机中。反应器启动过程如下：以一个工作良好的MFC反应器的阳极倒出液作为接种液，接种液与含有乙酸钠（1 g L-1）的阳极液充分混合后加入到MFC反应器中。接种完成后，每天为反应器更换新的阳极液（不含接种液），培养反应器3个月，以使阳极上的生物膜达到稳定状态。
第二步：微生物燃料电池的产电性能测试
反应器运行稳定后，在基质充足的情况下改变外电阻大小，通过监测输出电压的变化，得到MFC的功率密度曲线和阳极的极化曲线。

Claims (2)

1.可规模化应用的微生物燃料电池阳极的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碳材料置于体积分数5％～60％的异丙醇溶液中浸渍8～24h；
(2)将步骤(1)所得碳材料用去离子水冲洗5～10次后，置于烘箱中，在80～150℃下完全烘干；
(3)将步骤(2)所得样品制成电极形状，置于阳极倒出液或甲酸溶液中浸渍8～12h；
(4)将步骤(3)所得的样品用去离子水冲洗5～10次后，置于烘箱中，在80～110℃下烘干6～8h，即得到处理好的阳极材料；
所述甲酸溶液质量浓度为10％～88％；
所述阳极倒出液是指微生物燃料电池使用后的阳极液；该阳极液在使用前的组分为：磷酸盐缓冲液、0.31g L-1的NH4Cl、0.13g L-1的KCl、12.5mL L-1的矿物质溶液和1g L-1的乙酸钠；该阳极液在微生物燃料电池的阳极室中被微生物消耗利用，当溶液COD降到80～120mg L-1以下或产电电压降到10～40mV以下时，阳极室中的剩余溶液即为所述阳极倒出液；其中，所述磷酸盐缓冲液由11.47g L-1的Na2HPO4·12H2O和2.75g L-1的NaH2PO4·2H2O组成，其pH值等于7；所述产电电压是指在使用100Ω～1000Ω外阻时的产电电压；所述矿物质溶液成分为：1.5g L-1的次氮基三乙酸酯、6.15g L-1的MgSO4·7H2O、0.5g L-1的MnSO4·H2O、1g L-1的NaCl、0.1g L-1的FeSO4·7H2O、0.1g L-1的CaCl2·2H2O、0.1g L-1的CoCl2·6H2O、0.13g L-1的ZnCl2、0.01g L-1的CuSO4·5H2O、0.01g L-1的AlK(SO4)2·12H2O、0.01g L-1的H3BO3、0.054g L-1的Na2MoO4·2H2O、0.024g L-1的NiCl2·6H2O、0.025g L-1的Na2WO4·2H2O，余量为水；
所述碳材料是碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、碳毡、活性炭颗粒或石墨颗粒中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中进行浸渍时，根据电极形状的不同，浸渍比有所区别：平面电极的浸渍比为0.5～4mLcm-2，刷状或块状电极的浸渍比为1～5mLcm-3。
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