CN108640255A - 一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法 - Google Patents

一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法 Download PDF

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Abstract

一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法。涉及环境石油烃污染、能源及电化学领域。本方法利用电芬顿法处理含萘废水并对外输出电能按照以下步骤进行：一、制作MFC阴阳极并添加培养液完成MFC启动，其中阴极是由炭黑和羟基氧化铁按照质量比1:1‑3:1的比例辊压制成，二、向阴极室中添加萘或苯开始进行实验，48h后计算降解率及最大输出功率，其中萘分别为65‑80％和112W/m2，苯分别为85％以上和103W/m2。处理过程条件简单，成本较低，由于羟基自由基具有强氧化能力，适用于大部分难降解有机污染物，同时对外输出电能，提供了一种新的能源形式，具有良好的研究和应用潜力。

Description

一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并 同步产电的方法
技术领域
本发明涉及环境、石油烃污染、能源及电化学领域。具体说是一种利用炭黑羟基氧化铁生物电芬顿系统原位产生羟基自由基氧化芳烃等典型石油烃类污染物并同步产电的方法。
背景技术
石油是推动国家经济发展的原动力之一。随着石油需求量的增加，原油及其副产物的开采、运输和冶炼过程中均会有不同程度的泄漏问题出现，除此之外，自然条件下生物质燃烧和火山喷发等过程均会导致大面积土壤、水体甚至空气遭受到严重污染，严重威胁动植物和人类安全。多环芳烃是石油组分中一种很重要的物质，目前发现的200多种多环芳烃中，相当一部分具有致癌性。萘作为一种典型的多环芳烃，研究萘的降解效果对其他污染物具有代表意义和借鉴意义。目前已检测到其在地表水和地下水的浓度为ng/L到mg/L都有涉及，虽然萘在水体中的溶解度较低，仅为32mg/L，但毒性较大，5％的萘释放到水体中经土壤和沉积物的富集作用浓度会达到水中的几倍甚至几十倍，目前检测到土壤点位中平均浓度可达3000-6000mg/kg。
目前对萘的处理方法主要包括以下几种：物理法(如絮凝、吸附、超滤等)、化学法(芬顿法、臭氧氧化法、光催化氧化等)和生物法(植物、微生物)，其中微生物降解能将结构复杂的有机物转化为简单的化合物，相较于但物理化学方法具有高效、降低成本和污染少的特点。目前自然界中能降解多环芳烃降解能力的细菌众多，对多环芳烃的迁移转化具有重要作用，如芽胞杆菌属(Bacillus)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)等，但由于微生物对营养和环境条件要求高，对实际复杂的水质变化适应性差，无法人为控制，不利于生产实践。
微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)作为一种高效能的绿色电源，能够利用微生物降解多种复杂有机物，产生质子和电子并传递到阴极附近反应，完成能量输出，是一种将燃料的化学能(或生物质能)直接转化为电能的新型生物反应装置。
发明内容
本发明目的是解决电芬顿技术中需外加电源供电的问题，提供一种通过电芬顿方法处理含萘废水并同步产电的方法，其特征在于炭黑和羟基氧化铁复合作为微生物燃料电池阴极处理含萘废水并能对外输出电能。
本发明的技术方案：
一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法，该方法的具体步骤如下：
步骤1、羟基氧化铁制作：将亚硝酸钠、氯化亚铁和六甲基四二胺混合并放在65℃恒温箱中48h，用乙醇和去离子水分别清洗3次，离心，烘干。
步骤2、MFC阴极的制作：将碳材料(炭黑或CNT等)和FeOOH按照1:1-3:1质量比混合，利用辊压机压成0.1-1mm厚的薄片，用两片不锈钢网将其置于其中，得到阴极。
步骤3、阳极材料为碳布，经丙酮浸泡20-40h后去除表面杂质，用去离子水冲洗，烘干。此过程可增强微生物在阳极表面的富集。
步骤4、电芬顿反应器构型：为双室型，阳极为步骤3处理后的碳布，阴极为步骤2中所述阴极，外电路中用钛丝作为导线，且外接100-1000Ω电阻，与数据采集装置进行连接，每隔15-30min自动记录电压值，数据最小可精确到0.001V。
步骤5、MFC启动驯化：阴阳极同时添加营养液，主要成分为：钠盐115.01g/L，磷酸一氢盐40.9g/L，磷酸二氢盐33.21g/L，钾盐1.3g/L，氨盐3.1g/L，氯化盐浓度为4.4g/L，调节pH为7，除此之外阳极添加乙酸钠1g/L，阴极曝空气，流量为0.4-1.0L/min，启动过程每隔12h更换营养液，直至输出电压在400mV以上且能稳定保持一天时间以上即为启动成功。启动成功后，更换阴极营养液为浓度为30mg/L的萘溶液，48h后取样检测。
本发明的优点是：
1、用炭黑和羟基氧化铁复合作为MFC阴极处理含萘废水，炭黑价格低廉，有助于大范围应用。
2、所述炭黑和FeOOH微生物燃料电池阴极能够在阴极室原位产生羟基自由基，对污染物无选择性，且较传统芬顿方法不需要额外投加药剂，就可以氧化芳烃类污染物，成本低。
3、所述炭黑和FeOOH微生物燃料电池阴极环境下发生的电芬顿反应，不需要外部能源供给，反而能向外输出电能，操作简单，节约能源。
本发明的结果是，48h后萘的降解率达到了65％-80％，同时输出功率最大为112W/m2。
附图说明
图1为电芬顿装置安装结构示意图。
图中，1-CNT/FeOOH阴极，2-阳极，3-质子交换膜，4-曝气装置，5-外电阻，6-氧气，7-阳极微生物群。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方案间的任意合理组合。
实施例1
炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法，按照如下步骤制备：
1、MFC阴极的制作：将炭黑和FeOOH按照2:1质量比混合，利用辊压机压成0.1-1mm厚的薄片，用两片不锈钢网将其置于其中，得到阴极。
2、阳极材料为碳布，经丙酮浸泡20-40h后用去离子水冲洗，烘干，此过程可增强微生物在阳极表面的富集。
3、电芬顿反应器构型(如图1所示)：为双室型，高为15cm，底面直径为6cm的圆柱形玻璃瓶，其有效体积为400ml，阳极2为碳布，阴极1为炭黑/FeOOH阴极，外电路中用钛丝作为导线，且外接100-2000Ω电阻5，与数据采集装置进行连接，每隔30min自动记录电压值，数据最小可精确到0.001V。
4、MFC启动驯化：阴阳极同时添加营养液，主要成分为：钠盐115.01g/L，磷酸一氢盐40.9g/L，磷酸二氢盐33.21g/L，钾盐1.3g/L，氨盐3.1g/L，氯化盐浓度为4.4g/L，调节pH为7，除此之外阳极添加乙酸钠1g/L，阴极曝空气，流量为0.4-1.0L/min，启动过程每隔12h更换营养液，直至输出电压在400mV以上且能稳定保持一天时间以上即为启动成功。启动成功后，更换阴极营养液为浓度为30mg/L的萘溶液，48h后取样检测。
本发明的结果是，48h后萘的降解率达到了65％-80％，同时输出功率最大为112W/m2。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤2启动成功后，更换阴极营养液为30mg/L的苯溶液，其余参数与实施例1相同。
48h后苯的降解率达到85％以上，输出功率最大为103W/m2。

Claims (3)

1.一种炭黑羟基氧化铁阴极生物电芬顿处理典型芳烃类废水并同步产电的方法，其特征在于炭黑和羟基氧化铁复合作为MFC阴极处理含萘成分废水，该方法的具体步骤如下：
步骤1、MFC阴极的制作：将炭黑和羟基氧化铁按照1:1-3:1的质量比混合，利用辊压机压成0.1-1mm厚的薄片，用两片不锈钢网将其置于其中，得到阴极；
步骤2、阳极材料为碳布，经丙酮浸泡20-40h后用去离子水冲洗，烘干，此过程可增强微生物在阳极表面的富集；
步骤3、电芬顿反应器构型：为双室型，阳极为步骤2处理后的碳布，阴极为步骤1中所述阴极，外电路中用钛丝作为导线，且外接100-1000Ω电阻，与数据采集装置进行连接，每隔15-30min自动记录电压值，数据最小可精确到0.001V；
步骤4、MFC启动驯化：阴阳极同时添加营养液，主要成分为：钠盐115.01g/L，磷酸一氢盐40.9g/L，磷酸二氢盐33.21g/L，钾盐1.3g/L，氨盐3.1g/L，氯化盐浓度为4.4g/L，调节pH为7，除此之外阳极添加乙酸钠1g/L，阴极曝空气，流量为0.4-1.0L/min，启动过程每隔12h更换营养液，直至输出电压在400mV以上且能稳定保持一天时间以上即为启动成功；启动成功后，更换阴极营养液为浓度30mg/L的萘溶液，48h后取样检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炭黑和FeOOH微生物燃料电池阴极环境下发生的电芬顿反应，不需要外部能源供给，反而能向外输出电能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，微生物燃料电池阴极能够在阴极室原位产生羟基自由基，氧化芳烃类污染物。
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