CN107381776A - 一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法。微生物燃料电池的阴极材料使用碳纳米管，使金属离子发生还原反应，在阴极析出铜单质；包括以下步骤：量取一定量的碳纳米管，把碳纳米管涂布到微生物燃料电池阴极上，微生物燃料电池经过一段时间运行，即可析出铜单质。本发明的微生物燃料电池制铜新方法，利用碳纳米管降低还原活化电压，使铜离子进行还原反应，同时可以产生发电、处理有机污染物，系统简单,铜的还原率高。

Description

一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，涉及一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是利用微生物作为反应主体，将有机物质的化学能直接转化为电能的一种装置，在废水资源利用方面具有广阔的前景。阴极材料作为电化学反应以及电子传输的重要场所，是能源存储转化器件的重要组成部分，对电化学能源的性能起着至关重要的作用。因此阴极材料对提升微生物燃料电池的性能有着举足轻重的意义。
以金属离子作为MFC的阴极电子受体，利用MFC产生的电流代替电解法处理含金属废水技术中的传统电源，实现金属离子的电还原。以碳纳米管为催化剂的阴极微生物燃料电池能有较高的功率输出，廉价易得，能降低阴极反应活化电压，因此具有优良的电学性能。
目前研究的微生物燃料电池处理重金属大多使用铂碳为催化剂，但是存在高昂的造价等问题，限制了其在实际中的应用。研究的众多材料为阴极催化剂时的电压、功率密度、耐受Cu(II)浓度都远远低于铂碳。以碳纳米管为催化剂的阴极微生物燃料电池能有较高的功率输出，廉价易得，具有优良的电学性能。
发明内容
本发明涉及一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法，微生物燃料电池阳极微生物分解有机物，为阴极提供电子和质子，阴极材料采用碳纳米管还原电子，同时碳布吸附铜单质。燃料电池结构简单，回收效率较高。
本发明采用的技术方案如下：一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法，包括以下步骤：
（1）搭建燃料电池装置，阳极放置驯化微生物，阴极使用铁氰化钾溶液，阴极和阳极接通电阻和数据收集器；同时改变外电路电阻值筛选微生物；
（2）取碳纳米管20mg加30μL粘合剂加120μL去离子，超声30min，涂布到1*2cm的碳布上；通风干燥24h即可组装到微生物燃料电池阴极上；同时将阴极液铁氰化钾换成硫酸铜溶液；
（3）经过一段时间，碳纳米管上有红铜色物质析出，微生物燃料电池产电循环图电压逐渐降低，经150h后，电压变化很小时，取出阴极，用毛刷收集碳纳米管上的沉淀物，经化学方法鉴定，证明沉淀物为铜。
所述的步骤(1)，微生物燃料电池采用双室结构，单室装置容量为120ml，两室之间采用质子交换膜隔开。
所述的步骤(1)微生物采用驯化污水处理厂中的污泥提供。
所述的步骤(1)阴极液为120ml的以铁氰化钾为电子受体的阴极液，K3Fe(CN)6和buffer溶液的物质的量浓度均为0.1M/L。
所述的步骤(1)通过更换外电路电阻值从大到小更换对微生物菌群进行筛选，电阻值可依次更换为10000Ω、5000Ω、2000Ω、800Ω、200Ω，20Ω。随着外电路电阻值的降低，电流值逐渐增大,从而达到筛选微生物菌群的目的;每五分钟数据收集器对外电阻电压值进行数据采集。
所述的步骤(3)每25h更换一次阳极液，在更换阳极液电压不变时，认为铜离子已经基本还原。
本发明所述的步骤(1)两室均为碳刷，通过电阻连接。
本发明所述的步骤(4)当外用电阻约为20Ω时，更换阴极溶液为铜离子溶液，同时将阴极由碳刷碳更换为纳米管材料.
本发明所述的步骤(5)经过一段时间，碳纳米管上有红铜色物质析出，微生物燃料电池产电循环图电压逐渐降低，经150h后，电压降为零，取出阴极，用毛刷收集碳纳米管上的沉淀物，经化学方法鉴定，证明沉淀物为铜。
本发明的优点是：利用碳纳米管降低还原活化电压，使铜离子进行还原反应，同时可以发电，处理有机污染物，系统简单,铜的析出效率高，电化学性能好。
附图说明
图1为本发明的微生物燃料电池处理重金属铜离子装置原理图。
图2为本发明的微生物燃料电池发电循环图。
图3：微生物燃料电池碳布与碳纳米管材料极化曲线。
在图中，1-碳刷，2-测试孔，3-换液孔，4-阳极，5-测试系统，6-外电阻，7-夹子，8-质子交换膜，9-磁子，10-涂布CNT碳布，11-阴极。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明，但需要说明的是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。
图1，为本发明的微生物燃料电池处理重金属铜离子原理图,主要由1-碳刷，2-测试孔，3-换液孔，4-阳极，5-测试系统，6-外电阻，7-夹子，8-质子交换膜，9-磁子，10-涂布CNT碳布，11-阴极组成。其特征在于4-阳极和11-阴极之间通过8-质子交换膜隔开使用7-夹子组合在一起构成主体部分，4-阳极上有2-测试孔和3-换液孔，4-阳极里面是1-碳刷位置，4-阳极里面1-碳刷和11-阴极里面10-涂布CNT碳布由6-外电阻连接，6-外电阻连接上接5-测试系统，9-磁子在4-阳极和11-阴极各有一粒，金属接触的缝隙处用AB胶密封。
实施案例
一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法；其特征在于具体步骤如下：
（1）微生物燃料电池采用双室结构，装置容量为120ml，双室之间采用质子交换膜隔开。
（2）阳极微生物采用驯化污水处理厂中的污泥微生物。
（3）120ml的阴极液以铁氰化钾为电子受体，K3Fe(CN)6和buffer溶液的物质的量浓度均为0.1M/L。
（4）通过更换外电路电阻值（从大到小更换）对微生物菌群进行筛选，电阻值可依次更换为10000Ω、5000Ω、2000Ω、800Ω、200Ω，20Ω,随着外电路电阻值的降低，电流值逐渐增大,从而达到筛选微生物菌群的目的;并每五分钟对外电阻电压值进行数据采集。
（5）当外用电阻约为20欧姆时，将阴极液换为0.01mol/L的硫酸铜溶液。
取20mg碳纳米管加30uLnafion溶液、120uL去离子水，超声震荡30min，涂布到1*2cm的碳布上，通风干燥24h组装到微生物燃料电池阴极上。
经过一段时间，碳纳米管上有红铜色物质析出，微生物燃料电池产电循环图电压逐渐降低，经150h后，电压降为零，取出阴极，用毛刷收集碳纳米管上的沉淀物，经化学方法鉴定，证明沉淀物为铜。

Claims (6)

1.一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的制作方法，包括以下步骤：
（1）搭建燃料电池装置，阳极放置驯化微生物，阴极使用铁氰化钾溶液，阴极和阳极接通电阻和数据收集器；同时改变外电路电阻值筛选微生物；
（2）取碳纳米管20mg加30μL粘合剂加120μL去离子，超声30min，涂布到1*2cm的碳布上；通风干燥24h即可组装到微生物燃料电池阴极上；同时将阴极液铁氰化钾换成硫酸铜溶液；
（3）经过一段时间，碳纳米管上有红铜色物质析出，微生物燃料电池产电循环图电压逐渐降低，经150h后，电压变化很小时，取出阴极，用毛刷收集碳纳米管上的沉淀物，经化学方法鉴定，证明沉淀物为铜。
2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的新方法，其特征在于：所述的步骤(1)，微生物燃料电池采用双室结构，单室装置容量为120ml，两室之间采用质子交换膜隔开。
3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的新方法，其特征在于：所述的步骤(1)微生物采用驯化污水处理厂中的污泥提供。
4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的新方法，其特征在于：所述的步骤(1)阴极液为120ml的以铁氰化钾为电子受体的阴极液，K3Fe(CN)6和buffer溶液的物质的量浓度均为0.1M/L。
5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的新方法，其特征在于：所述的步骤(1)通过更换外电路电阻值从大到小更换对微生物菌群进行筛选，电阻值可依次更换为10000Ω、5000Ω、2000Ω、800Ω、200Ω，20Ω。
6.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理含重金属铜离子的新方法，其特征在于：所述的步骤(3)每25h更换一次阳极液，在更换阳极液电压不变时，认为铜离子已经基本还原。
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