CN106920972B - 一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极的制备方法及微生物燃料电池 - Google Patents

一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极的制备方法及微生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极的制备方法及微生物燃料电池，新材料新能源及废水资源化利用技术领域。将活性污泥通过氮气高温热解烘焙方法制成多孔的氮掺杂生物炭，再通过酸化方法去除表面矿物质，提升生物炭的导电性，最后以火山岩颗粒为载体进行表面生物炭负载，制备形成火山岩表面氮掺杂生物炭颗粒。此种新型颗粒，孔隙率高，导电性好，比表面积大，完全符合微生物燃料电池阳极材料的性能要求。新型氮掺杂多孔生物炭阳极即可增加微生物燃料电池阳极产电菌及微生物的附载量，提高废水中生物质能转化率，低电阻特性又提高了电子的传递速率，最终实现微生物燃料电池功率的提升，实现废水处理资源化及同时高效生物产电。

Description

一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极 的制备方法及微生物燃料电池
技术领域
本发明属于新材料新能源及废水资源化利用技术领域，具体研发内容是将活性生物污泥通过氮气高温热解烘焙方法制成多孔的氮掺杂生物炭，再通过酸化方法去除表面矿物质，提升生物炭的导电性，最后以火山岩颗粒为载体进行表面生物炭负载，制备形成火山岩表面氮掺杂生物炭颗粒。此种新型颗粒，孔隙率高，导电性好，比表面积大，完全符合微生物燃料电池阳极材料的性能要求。新型氮掺杂多孔生物炭阳极即可增加微生物燃料电池阳极产电菌及微生物的附载量，提高废水中生物质能转化率，低电阻特性又提高了电子的传递速率，最终实现微生物燃料电池功率的提升，实现废水处理资源化及同时高效生物产电。
背景技术
近些年，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)技术随着新能源技术的突飞猛进而得到广泛关注。生活污水、工业废水中含有丰富的有机物质，可以作为微生物燃料电池的原料来源，在实现废水处理的同时，还能将丰富的生物质能转化为电能，是开发新能源的的一种高效途径。微生物燃料电池阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应，其负载量直接决定生物质能的转化效率，电极材料是产电微生物电子转移的媒介，显然阳极填充的颗粒性能对燃料电池产电起决定作用。
微生物燃料电池对阳极材料的基本性能要求是电阻率低、总孔隙率高、比表面积大。当前常用的阳极材料有碳布、石墨颗粒、活性炭颗粒、石墨棒、石墨毡、碳刷、石墨盘片等。这些材料具有良好的导电性，表面粗糙度较高，适宜产电微生物的附载和电子传递。但随着阳极微生物的新陈代谢和生物膜的增厚，有限的比表面积大幅减少，电子传递效率显著降低，致使微生物燃料电池电势快速降低。目前解决这个技术技术难题的有效办法就是提高阳极材料的比表面积，提升材料导电性能。微生物界面与电极接触界面决定了电子的传递速度和传递量，因此微生物和电极界面相对于不被利用的产电菌负载载体内部空间而言，更为重要。微生物内部载体对产电的影响微乎其微。微生物燃料电池电极的成本制约着该技术的实际应用，因此制备低成本阳极材料和阴极电极，是推进微生物燃料电池在水处理行业应用的重要内容。相比于各种高成本碳阳极材料，利用廉价生物炭特别是基于生物污泥的生物炭，以及利用大孔而坚固的火山岩材料表面导电改性，制备廉价炭和无机矿物的复合电极，是很有意义的。
本发明是通过隔氧氮气高温热解烘焙的技术方法，将活性生物污泥制成氮掺杂的多孔生物炭，再通过酸化方法提升导电性。制备的炭材料再以火山岩颗粒的载体，采用自沉积形式，实现生物炭的附载。本专利研发的新型微生物燃料电池阳极填充材料，超高的比表面积可显著提升产电微生物的负载量，导电性能好，高温烘焙形成的生物炭外表面平滑，易于生物膜的脱落，对电子的转移有促进作用，能显著提升微生物燃料电池电池电势及库伦效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极及微生物燃料电池，解决了微生物燃料电池阳极产电微生物附载率低的问题，同时能有效提高微生物燃料电池的电子转移速率，解决了传统微生物燃料电池电势稳定性差等问题。
本发明的技术方案：
一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极的制备方法，步骤如下：
(1)活性污泥在恒温条件下真空干燥，干燥后的污泥在600℃～700℃温度条件下烘焙煅烧4-6小时，期间缓慢升温并隔氧通入氮气，得到干粉污泥；
(2)将步骤(1)得到的干粉污泥与质量浓度≥50％的氢氟酸进行混合，干粉污泥与氢氟酸的质量比＞1:2，搅拌1～3小时后取出，再用去离子水清洗至中性，即为氮自掺杂的多孔炭粉末；
(3)氮自掺杂的多孔炭粉末在恒温60℃干燥8-12小时，取出备用；
(4)遴选孔隙率＞40％的火山岩颗粒进行吹扫和去离子水清洗；
(5)以PVDF为粘合剂，将PVDF与步骤(3)得到的干燥氮自掺杂的多孔炭粉末在DMF中混合；添加步骤(4)处理后的火山岩颗粒并搅拌，氮自掺杂多孔炭粉末均匀裹覆在火山岩颗粒的外表面，采用相转化法预制火山岩内核型生物炭颗粒；相转化完毕后的颗粒再次在600℃-700℃温度条件下烘焙煅烧4-6小时，期间通入氮气并隔氧；得到新型氮掺杂多孔生物炭颗粒，接种希瓦氏菌，即为基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极，备用。
微生物燃料电池阳极室的电极为碳棒和基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极两部分，阳极室内填充基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极，填充率95-100％，碳棒居中插入基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极中，碳棒顶端内置钛丝导线并与数据收集系统相连；阳极室顶端设有进水口，水力传输采用重力流模式；阳极室顶端设有气体止回阀；参比电极为饱和甘汞型，埋覆式插入基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的新型复合阳极内，外部与数据收集系统相连。
微生物燃料电池阳极室与阴极室自上而下进行设计，阳极室与阴极室间采用无纺布分割；阴极室采用活性炭为空气阴极催化剂，采用碳基底PVDF膜为空气阴极并与数据收集系统相连；阴极与阳极间设置外电阻。
本发明的有益效果：本新型氮掺杂多孔生物炭阳极及微生物燃料电池，以活性生物污泥为基质，充分利用污泥中丰富的碳源，采用高温热解烘焙的方法，创新式自制氮掺杂多孔生物炭。以火山岩为内核，将新型生物炭自沉积内核表面，高温煅烧形成多孔炭颗粒。本研发设计的微生物燃料电磁阳极填充材料，可显著提升产电菌附载量，解决了微生物燃料电池产电微生物生物质转化效率低的技术问题。高温煅烧形成的生物炭表面，孔隙率高，光滑平整，电阻率低，降低了电子传递阻力，对电池电势有明显的提升作用。阴极采用活性炭为催化剂，空气阴极式溶氧还原。本新型氮掺杂多孔生物炭阳极微生物燃料电池，整体设计均为廉价材料，显著降低废水处理设备造价，适用于高氨氮污水的处理，可实现装置出水水质的长期稳定。
附图说明
图1是新型氮掺杂多孔生物炭阳极微生物燃料电池功率密度及极化曲线。
图中：横坐标表示电流密度，单位A/m3；纵坐标(Y左)表示电池电势，单位V；纵坐标(Y右)表示功率密度，单位W/m3；正方形、三角形分别代表极化曲线、功率密度曲线。
图2是新型氮掺杂多孔活性炭阳极微生物燃料电池电势图。
图中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示电势，单位V；正方形、圆点、三角形分别表示阳极电势、阴极电势、电池电势。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
氮掺杂多孔生物炭制备：取活性生物污泥1000g，经压滤脱水后(滤饼含水率＜50％)，在真空干燥箱内105℃下恒温烘干。烘干样品转至管式炉内，隔氧通入氮气，氮气通入速率为300mL/min，升温速率为5℃/min，设置温度为700℃，焙烧时间设置为1h。
氮掺杂多孔生物炭酸化：将氮掺杂生物炭粉末与200mL氢氟酸(浓度：50％)混合，磁力搅拌器搅拌1h。酸化后的生物炭溶液静沉3h，移除上清液。用去离子水将生物炭多次清洗，直至中性(pH＝7)。酸化后的生物炭转移至真空干燥箱，60℃恒温干燥12h。干燥后样品，转移至干燥皿中密封备用。
氮掺杂多孔生物炭颗粒制备：筛选3-5mm火山岩颗粒500g，用去离子水浸没，超声震荡2h，去除表面灰尘及杂质，去离子水洗涤3次。清洗后的火山岩颗粒在真空干燥箱内60℃恒温干燥3h，备用。5％酸化生物炭粉末与10％PVDF以DMF为溶剂进行磁力搅拌，搅拌时间为1h，制成生物炭覆膜液。以火山岩颗粒为内核，夹取火山岩颗粒放在生物炭覆膜液内进行搅拌挂膜，挂膜均匀颗粒取出，在空气中静置20s，放入去离子水中进行相转化，相转化时间为3h。覆生物炭火山岩颗粒转移至真空干燥箱内，105℃恒温干燥，干燥时间为3h。干燥后的生物炭颗粒再次转移至管式炉，隔氧通入氮气，氮气通入速率为300mL/min，升温速率为5℃/min，设置温度为700℃，焙烧时间设置为1h。
微生物燃料电池组装：阳极室设计尺寸为装填新型氮掺杂多孔生物炭颗粒作为阳极产电微生物填料，填充率95％。阳极室中心内置mm碳棒，碳棒顶端钛丝外引；阳极室顶部插入甘汞参比电极，钛丝导线、参比电极分别接入电势数据集成系统；顶端设气体止回阀。阳极室底部覆无纺布与阴极室相连。阴极室设计尺寸为填充活性炭颗粒为空气阴极催化剂(填充率：100％)，阴极底部设碳纤维基PVDF膜为空气阴极，外引碳纤维丝与数据收集系统相连，在钛丝和阴极碳纤维丝间接入1000Ω外电阻。阳极室顶端进水；阳极室下部侧面出水。
装置性能检验：阳极室接种希瓦氏产电菌。人工配制废水经蠕动泵输送入阳极室进水，阳极电势稳定后，进行系统调试；电池电势稳定后，测试极化曲线及功率密度曲线。性能检验结果如图1、图2所示，说明本装置能够显著提升电池电势和库伦效率。

Claims (2)

1.一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)活性污泥在恒温条件下真空干燥，干燥后的污泥在600℃～700℃温度条件下烘焙煅烧4-6小时，期间缓慢升温并隔氧通入氮气，得到干粉污泥；
(2)将步骤(1)得到的干粉污泥与质量浓度≥50％的氢氟酸进行混合，干粉污泥与氢氟酸的质量比＞1:2，搅拌1～3小时后取出，再用去离子水清洗至中性，即为氮自掺杂的多孔炭粉末；
(3)氮自掺杂的多孔炭粉末在恒温60℃干燥8-12小时，取出备用；
(4)遴选孔隙率＞40％的火山岩颗粒进行吹扫和去离子水清洗；
(5)以PVDF为粘合剂，将PVDF与步骤(3)得到的干燥氮自掺杂的多孔炭粉末在DMF中混合；添加步骤(4)处理后的火山岩颗粒并搅拌，氮自掺杂多孔炭粉末均匀裹覆在火山岩颗粒的外表面，采用相转化法预制火山岩内核型生物炭颗粒；相转化完毕后的颗粒再次在600℃-700℃温度条件下烘焙煅烧4-6小时，期间通入氮气并隔氧；得到氮掺杂多孔生物炭颗粒，接种希瓦氏菌，即为基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极。
2.一种基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极的微生物燃料电池，其特征在于，
微生物燃料电池阳极室的电极为碳棒和基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极两部分，阳极室内填充基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极，填充率95-100％，碳棒居中插入基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极中，碳棒顶端内置钛丝导线并与数据收集系统相连；阳极室顶端设有进水口，水力传输采用重力流模式；阳极室顶端设有气体止回阀；参比电极为饱和甘汞型，埋覆式插入基于污泥的氮掺杂生物炭和多孔火山岩的复合阳极内，外部与数据收集系统相连；
微生物燃料电池阳极室与阴极室自上而下进行设计，阳极室与阴极室间采用无纺布分割；阴极室采用活性炭为空气阴极催化剂，采用碳基底PVDF膜为空气阴极并与数据收集系统相连；阴极与阳极间设置外电阻。
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