CN104701561B - 一种光电‑微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法 - Google Patents

一种光电‑微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电‑微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法，包括由离子交换膜阻隔的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室由导线外接蓄电池相连，所述阳极室内装备光电微生物复合阳极，所述光电‑微生物复合阳极由石英玻璃层、光催化层、导电基底层和生物兼容层依次叠置组成，所述生物兼容层外覆盖生物膜。本发明从主动夺取微生物所产电子的方式对阳极进行改性，从而获取了高效率的微生物燃料电池，且由于改性物质未接触溶液，因此被腐蚀性极小，寿命长，成本低廉。在运行过程中仅通过太能光能做催化，无二次能源投入，无二次污染输出。

Description

一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水 的方法
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池技术及光催化技术，具体涉及一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法。
背景技术
作为一种新兴的废水处理与能源回收技术，微生物燃料电池(microbial fuelcell,简称MFC)在能源紧缺、污染严重的今天具有独特的意义。MFC即微生物降解或氧化有机物，产生电子并通过一组呼吸酶在细胞内外传递，以ATP形式为细胞提供能量，电子进而被释放给最终电子受体(terminal electron acceptor，简称TEA)，终而形成回路产生电流。MFC由阳极室、阴极室、交换膜以及外接回路组成，其中阳极室作为电子输出的源点，有机物降解途径、电子传递速率等过程直接影响电能输出的效率。
MFC阳极改性是广泛用于提升MFC性能的主要手段。例如，公开号为CN 102306803A的中国发明专利申请公开了一种免疫修饰处理的微生物燃料电池阳极,其特征在于所述微生物燃料电池阳极通过以下方式进行处理:先在微生物燃料电池阳极表面上修饰化学分子基团,然后通过化学分子基团固定修饰有胶体金颗粒的抗产电微生物抗体形成免疫修饰处理的微生物燃料电池阳极。
公开号为CN102751510A的中国发明专利申请公开了一种可以提高微生物燃料电池阳极性能的改性方法，其具体步骤如下：一、把阳极材料在聚四氟乙烯，简称PTFE乳液中浸泡后烘干；二、重复步骤一的操作使阳极材料上聚四氟乙烯负载量达到预设的质量负载量；三、将步骤二所得的阳极在空气气氛下进行热处理；四、将步骤三所得的阳极在惰性气氛下进行热处理，即得到表面粗糙且呈规则的孔纹结构、比表面积变大、电子转移能力更强的微生物燃料电池阳极。该申请通过多次PTFE负载并在高温环境多次煅烧获得了比表面积较大及阻值较低的阳极材料。
公开号为CN102918697A的中国发明专利申请公开了一种或多种离子交换材料或导电材料混合物作为阳极或阴极，用以提高微生物燃料电池的性能。目前所有的电极改性手段均雷同与上述方法，以提高微生物负载量或降低电极阻值或提升电极与微生物间电子传递等。
发明内容
本发明提供了一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池及处理生活污水的方法，从主动夺取微生物所产电子的方式对阳极进行改性，从而获取了高效率的微生物燃料电池，且由于改性物质未接触溶液，因此被腐蚀性极小，寿命长，成本低廉。在运行过程中仅通过太能光能做催化，无二次能源投入，无二次污染输出。
一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池，包括由离子交换膜阻隔的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室由导线外接蓄电池相连，所述阳极室内装配光电-微生物复合阳极，所述阴极室盛装阴极室溶液，所述光电-微生物复合阳极由石英玻璃层、光催化层、导电基底层和生物兼容层依次叠置组成，所述生物兼容层外覆盖生物膜。
本发明利用太阳光做催化剂，通过提升微生物燃料电池性能的方法，不仅能够高效处理废水，还可以产生大量的电能。
本发明的处理原理如下：
生活污水进入阳极室，在微生物作用下有机物被降解产生电子；复合阳极光催化面在实验室模拟太阳光照射下，分离成电子和空穴，电子经过外电路回流到阴极，光催化面剩余大量空穴，空穴通过阳极基底从覆盖生物膜的生物兼容层夺取电子，但是在光作用下再次分离并导入到阴极，如此循环形成了一个电极主动夺取电子的过程提高产能，在MFC外接电路中连接蓄电池用以收集电能。
作为优选，所述光催化层的材料为禁带宽度为0-2.8eV的光催化材料；进一步优选，所述光催化材料为α-Fe2O3。
禁带宽度过大会导致电子空穴难以在可见光下分离，若采用高能的紫外光则会对微生物体系产生一定的影响并且耗能极高。所述的导电基底层选用导电性良好的可塑性不透水材料，作为优选，所述导电基底层为碳系板、不锈钢板或钛板。所述碳系板进一步优选为石墨板。
所述的生物兼容层选用比表面积大、导电性好以及生物兼容性好的材料，进一步优选为聚合物、碳系材料、亲水性层或正电离子层。聚合物为导电聚合物，导电聚合物采用本领域常规导电聚合物，例如聚苯胺。碳系材料选用CNT或石墨烯；亲水性层选用苯基苯酚柠檬酸、酒石酸或单甘酯；正电离子层选用氧气，硝酸等物质浸泡改性。
作为优选，所述石英玻璃层的厚度为1-20mm。在光催化层外覆盖一层石英玻璃，能够避免光催化材料与空气的接触，从而提升了光催化材料的寿命以及降低了因光催化材料与氧气接触而导致的电子损耗。
电基底层的厚度优选为0.1mm～1cm。
所述的阳极室与阴极室由离子交换膜隔离，阳极与阴极间距不超过20cm，距离过大会导致电池内阻过大，从而降低MFC电能输出。
作为优选，所述光电-微生物复合阳极可由如下方法制备：
(1)选取碳系板、不锈钢板或钛板作为电极导电基底材料；
(2)将电极导电基底材料抛光并浸泡在亚铁离子溶液中；
(3)对电极基底施加1.2V电势持续15分钟；
(4)取出洗净，并于500度高温处理2小时；
(5)电极未改性面再次抛光洗净；
(6)电极未改性面涂抹表面活性剂，进行亲水性改性，后清洗。
作为优选，阴极室液体有两种选择：
(1)电解液为氧化性物质，进一步优选为铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾等，配合离子交换膜为阳离子交换膜或质子交换膜；
(2)由于光照阳极对阳极电势形成了一定降低，能够使得阴极电势直接产氢，因此电解液选用普通高导电离子液体，进一步优选为酸性离子液体或含有硝酸盐的离子液体，配合离子交换膜为阴离子交换膜。由于氧化性物质为易耗物，成本相比较高，因此进一步优选为第二种电解液。
本发明还提供一种利用所述光电-微生物复合阳极微生物燃料电池进行污水处理的方法，包括如下步骤：
(1)将生活污水送入阳极室，生物膜中的微生物降解污染物产生电子；
(2)自然光照射光电-微生物复合阳极的光催化面致使空穴电子分离，电子转移至阴极形成回路，而阳极剩余大量空穴；
(3)空穴夺取阳极另一侧生物膜所产电子；
循环步骤(1)～(3)产生电能，储存在蓄电池中；净化处理后的净水排出。
所述微生物为电活性微生物，所述的生活污水中富含可生化降解的有机物。
进一步优选，所述的生活污水pH在5-9之间，pH过酸或过碱会影响微生物降解有机物。
进一步优选，所述的生活污水富含可生物降解的有机物，有机物浓度过低则电子供体较少，从而使得产电性能较差；有机物若不可生化则不能通过微生物氧化而产生电子。
本发明的有益效果：
1)本发明能够利用废水中的有机污染物降污产能，且无二次耗能，无二次污染。
2)本发明是建立在微生物燃料电池上的一种性能提升手段，利用太阳光作为催化剂提升MFC性能达1倍以上。
3)本发明改性过程简单，光催化改性物质在使用过程中不直接接触反应界面，因此使用寿命长久。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明结构及部件分解示意图。
图3是本发明光电-微生物复合阳极的结构示意图。
图4是实施例1产生电能的提升效果图。
图中所示附图标记如下：
1-阳极室 2-阴极室 3-进出水管
4-光电-微生物复合阳 5-离子交换膜 6-阴极
极
401-石英玻璃层 402-光催化层 403-导电基底层
404-生物兼容层。
具体实施方式
如图1～3所示，一种微生物燃料电池，包括阳极室1和阴极室2，阳极室和阴极室上设置有进出水管3，阳极室与阴极室由离子交换膜5隔开，阳极室内装配光电-微生物复合阳极4，阴极室内装配阴极6，阴极6采用常规电极，例如石墨板。
光电-微生物复合阳极的结构如图3所示，由石英玻璃层401、光催化层402、导电基底层403和生物兼容层404依次叠置组成，生物兼容层外覆盖生物膜。石英玻璃层的厚度为1～20mm，电基底层的厚度为0.1mm～1cm。
导电基底层选用导电性良好的可塑性不透水材料，优选为碳系板、不锈钢板或钛板，碳系板优选为石墨板。
生物兼容层选用比表面积大、导电性好已经生物兼容性好的材料，优选为聚合物、碳系材料、亲水性层或正电离子层，本实施方式中优选为亲水性改性，选用物质为苯基苯酚。
本实施方式中光电-微生物电极材料组成及制作过程如下：
1)选取石墨板作为电极导电基底材料；
2)将电极基底材料抛光并浸泡在亚铁离子溶液中；
3)对电极基底施加1.2V电势持续15分钟；
4)取出洗净，并于500度高温处理2小时；
5)电极未改性面再次抛光洗净；
6)电极未改性面涂抹表面活性剂(即浸泡在20％苯基苯酚30min)，进行亲水性改性，后清洗。
本发明的燃料电池处理生活污水的工艺流程如下：
生活污水进入阳极室，在微生物作用下有机物被降解产生电子；复合阳极光催化面在实验室模拟太阳光照射下，分离成电子和空穴，电子经过外电路回流到阴极，光催化面剩余大量空穴，空穴通过阳极基底从覆盖生物膜的生物兼容层夺取电子，但是在光作用下再次分离并导入到阴极，如此循环形成了一个电极主动夺取电子的过程提高产能。
实施例1中生活污水COD为2000，阴阳极室分别为45ml，电极间距为8cm，离子交换膜采用Nafion 117质子交换膜，微生物采用经过5个月驯化的产电菌。该实施例产电性能提升效果如图4所示。采用本发明装置，产电启动过程缩短为2天，稳定时最大电流是普通MFC产电性能的2倍以上，性能提升显著。

Claims (5)

1.一种光电-微生物复合阳极微生物燃料电池，包括由离子交换膜阻隔的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室由导线外接蓄电池相连，所述阳极室内装配光电-微生物复合阳极，所述阴极室盛装阴极室溶液，其特征在于，所述光电-微生物复合阳极由石英玻璃层、光催化层、导电基底层和生物兼容层依次叠置组成，所述生物兼容层外覆盖生物膜；所述光催化层的材料为禁带宽度为0-2.8eV的光催化材料；所述导电基底层为碳系板、不锈钢板或钛板；所述石英玻璃层的厚度为1-20mm。
2.根据权利要求1所述光电-微生物复合阳极微生物燃料电池，其特征在于，所述生物兼容层为聚合物、碳系材料、亲水性层或正电离子层。
3.根据权利要求1所述光电-微生物复合阳极微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极室溶液为铁氰化钾溶液、高锰酸钾溶液或重铬酸钾溶液，与之配合的离子交换膜为阳离子交换膜或质子交换膜。
4.根据权利要求1所述光电-微生物复合阳极微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极室溶液为酸性离子液体或含有硝酸盐的离子液体，与之配合的离子交换膜为阴离子交换膜。
5.一种利用权利要求1所述光电-微生物复合阳极微生物燃料电池进行污水处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将生活污水送入阳极室，生物膜中的微生物降解污染物产生电子；
(2)自然光照射光电-微生物复合阳极的光催化面致使空穴电子分离，电子转移至阴极形成回路，而阳极剩余大量空穴；
(3)空穴夺取阳极另一侧生物膜所产电子；
循环步骤(1)～(3)产生电能，储存在蓄电池中；净化处理后的净水排出。
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