CN108996661A - 一种提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法 - Google Patents

一种提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于黑臭水体底泥原位修复技术方法，及其制造技术领域，公开了一种利用沉积物微生物燃料电池原理，通过涂刷法用纳米氧化铁修饰阳极提高沉积型微生物燃料电池的效率，从而提高底泥有机物降解效率的方法。本发明通过应用纳米氧化铁修饰阳极以提高沉积型微生物燃料电池对沉积物中有机物的降解能力。通过在沉积物中置入阳极修饰的沉积型微生物燃料电池较无修饰，TOC的去除效果提高15％。较自然降解提高了35％。对高浓度有机污染的沉积物有很好的降解效果，50天TOC去除率达到55％。

Description

一种提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法
技术领域
本发明提出一种提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
随着经济的迅速发展，有机污染物在城市河流和湖泊中的大量排放，城市水生态系统中的有机物含量急剧增长，以城市内河为代表的城市水体由于其环境容量小，自净能力差等特点，形成了严重的环境问题，例如水体富营养化和黑臭水体。底泥沉积物作为水体的一个重要组成部分，大量难降解有机物积累在水体底泥中，威胁着城市水生态系统，其中沉积物污染物的释放是水体污染物的一个主要内源，给水体修复带来了很大的困难。由于沉积物中有机物的自然降解是一个缓慢的过程，人们通常会采取一些措施去治理有机物污染。传统的沉积物修复方法包括原位修复和异位修复，疏浚是从水生态系统中去除受污染沉积物的常规且最常用的异位修复措施。然而，由于疏浚和寻找倾倒场地的成本，对于污染水系统的修复以及受污染沉积物的处理来说，这不是一种可持续和环保的措施。近年来，原位修复成为水体修复和水体沉积物中有机物去除的热点研究课题。在城市淡水系统，缺少合适的电子受体是有机物自然降解的主要限制性因素，为了解决这个问题，通过提供合适的电子受体以提高微生物氧化还原效率是沉积物降解的一个有效的方式，添加化学物质，引入生物刺激和酶是常用方法，虽然生物刺激和引入化学物质可以改善有机物降解，但这些方法成本高昂，可能会导致水生生态系统的进一步污染。因此，寻找一种有前景的沉积物修复技术是十分必要。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种能降解有机污染物将化学能转化为电能的新型技术，微生物燃料电池的阳极可以作为电子受体促进有机物的降解。SMFC作为一种特殊的MFC近来引起研究者的关注，通过将阳极置于底泥中作为有机物降解后的电子受体，电子从阳极通过外电路流向阴极形成电流，提高了底泥微生物的氧化还原效率，提高有机物的去除率。因此，SMFC为底泥原位修复提供了新的思路。
综上所述，现有技术存在的问题是：
传统的沉积物修复方法，由于疏浚和寻找倾倒场地的成本，对于污染水系统的修复以及受污染沉积物的处理来说，这不是一种可持续和环保的措施；
(2)现有技术生物刺激和引入化学物质可以改善有机物降解，但这些方法成本高昂，可能会导致水生生态系统的进一步污染。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原位降解黑臭水体底泥有机污染物的增强阳极微生物燃料电池方法，通过增强的阳极，提高沉积微生物燃料电池的降解性能。
本发明是这样实现的，通过涂刷法用纳米氧化铁修饰阳极，以增强阳极的接受电子受体的性能，以此提高沉积型微生物燃料电池的降解性能。利用沉积型微生物燃料电池的原理，在黑臭水体中搭建微生物燃料电池体系，从而原位降解黑臭水体底泥有机污染物，并利用增强的阳极，提高降解黑臭水体底泥有机污染物的效率。
所述的涂刷法阳极修饰具体包括以下步骤：
步骤一：利用超声仪将在溶液中的纳米氧化铁分散形成均匀分散的溶液；
步骤二：添加PTFE溶液加入到纳米氧化铁溶液中进行搅拌；PTFE与纳米氧化铁质量比1：5
步骤三：将步骤二所得的溶液以1mg/cm2均匀涂刷在碳毡表面，溶液浸人碳毡，在60℃烘箱内干燥12小时；
所述的在黑臭水体中搭建微生物燃料电池体系具体包括以下步骤
将制备的增强阳极埋入底泥沉积物中，在反应器底部从阳极上接出一根钛丝方便和导线相连，碳纤维毡阴极置于上覆水体，阴极和阳极之间用铜导线相连，形成闭合回路。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明通过应用纳米氧化铁修饰阳极以提高沉积型微生物燃料电池对沉积物中有机物的降解能力。通过在沉积物中置入阳极修饰的沉积型微生物燃料电池较无修饰，TOC的去除效果提高15.02％。较自然降解提高了35.13％。对高浓度有机污染的沉积物有很好的降解效果，TOC去除率达到了55.90％。
本发明应用了成本低廉的碳纤维毡，价格低廉，约90元/m2；所采用的纳米氧化铁用量较少(1mg/cm2)，而纳米氧化铁原料来源广，制作工艺成熟，是常用的材料，价格低廉。
解决上述技术问题的难度和意义：
随着SMFC的发展，如何提高SMFC对有机污染物的降解性能和降低SMFC成本是将此技术应用于水体原位修复的急需解决的问题。向沉积物中加入合适的中介体，如Fe(III)氧化物和氢氧化物能提高沉积物中有机物的降解率；以纳米材料修饰阳极提高SMFC的性能和Fe2O3修饰MFC的阳极均有报道。纳米氧化铁以其良好的生物相容性，环境稳定性，低成本和独特的电性能等优点，使其成为治理环境污染领域良好的应用材料。然而，以涂刷法用纳米氧化铁修饰阳极对SMFC降解有机污染物的性能影响还没有报道。本发明制备了纳米氧化铁修饰阳极，了解纳米氧化铁修饰后对SMFC降解有机物性能的影响，并且对比了SMFC对有机含量不同的两种底泥中有机物的去除效果，为SMFC应用于污染水体原位修复提供了理论依据和技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例提供的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法原理示意图；
图2是本发明实施例提供的SMFC运行50天沉积物中TOC的去除率示意图；
图3是本发明实施例提供的SMFC运行50天沉积物中的DOC去除率示意图；
图4是本发明实施例提供的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明实施例提供的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法包括以下步骤：
通过涂刷法用纳米氧化铁修饰阳极提高沉积型微生物燃料电池的降解性能；所述的涂刷法阳极修饰具体包括以下步骤：
S101：利用超声仪将在溶液中的纳米氧化铁分散形成均匀分散的溶液；
S102：添加PTFE溶液加入到纳米氧化铁溶液中进行搅拌；
S103：将所得的溶液以1mg/cm2均匀涂刷在碳毡表面，溶液浸人碳毡，在60℃烘箱内干燥12小时；
S104：阳极埋入底泥沉积物中，在反应器底部从阳极上接出一根钛丝方便和导线相连，阴极置于上覆水体，阴极和阳极均为碳纤维毡；阴极和阳极之间用铜导线相连，形成闭合回路。
在步骤S102：添加PTFE溶液加入到纳米氧化铁溶液中进行搅拌；PTFE与纳米氧化铁质量比1：5；
本发明提供的聚四氟乙烯(PTFE)与纳米氧化铁质量比1：5。
下面结合实验对本发明的应用效果做详细的描述。
一，实验材料：
1、样品的采集和预处理
本次底泥分别采自于天津市一城市河道(底泥1)和污水处理厂EGSB反应器里的厌氧污泥(底泥2)，上覆水均取自该河。如图1所示，搭建模拟河道底泥原位修复的微生物燃料电池体系。反应器BR1模拟自然降解；BR2模拟SMFC；BR3模拟阳极改性后的SMFC。
样品的主要化学指标见表1、表2。
表1底泥沉积物主要化学性能指标
表2上覆水体的主要化学指标
结果分析：
1沉积物中TOC和DOC的降解效果
如图2和图3为底泥中TOC和DOC的去除率。在有机物含量高的厌氧污泥中加入SMFC系统，较自然降解可以有效的提高TOC和DOC的去除率，SMFC通过用纳米氧化铁改性阳极后，可以提高SMFC对TOC和DOC的去除率。在反应器运行50天后，在加入SMFC体系的沉积物中(BR2)，TOC和DOC的去除率分别达到了40.88％和76.44％，分别是自然降解(BR1)TOC去除率(20.77％)和DOC去除率(47.56％)的1.97倍和1.61倍，说明通过在沉积物中加入电子受体能有效的提高有机物去除率。在改性阳极的SMFC体系中(BR3)，TOC和DOC的去除率分别达到了55.90％和82.86％，分别是自然降解TOC去除率(20.77％)和DOC去除率(47.56％)的2.69倍和1.74倍，是BR2的1.37倍和1.08倍，说明通过阳极改性后，有效的提高了SMFC的降解性能。
本发明采用纳米氧化铁修饰阳极的SMFC较无修饰的SMFC的启动更快，对TOC和DOC的降解效果较无修饰的SMFC的降解性能更好，BR3的TOC和DOC的去除率是BR2的1.37倍和1.08倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法，其特征在于通过涂刷法用纳米氧化铁修饰阳极，增强阳极的性能；利用沉积型微生物燃料电池的原理，在黑臭水体中搭建微生物燃料电池体系，从而原位降解黑臭水体底泥有机污染物。
2.如权利要求1所述的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法，其特征在于，所述提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法包括以下步骤：
步骤一：利用超声仪将在溶液中的纳米氧化铁分散形成均匀分散的溶液；
步骤二：添加PTFE溶液加入到纳米氧化铁溶液中进行搅拌；
步骤三：将步骤二所得的溶液以1mg/cm2均匀涂刷在碳毡表面，溶液浸人碳毡，在60℃烘箱内干燥12小时。
3.如权利要求2所述的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：阳极埋入底泥沉积物中，在反应器底部从阳极上接出一根钛丝方便和导线相连，阴极置于上覆水体，阴极和阳极均为碳纤维毡；阴极和阳极之间用铜导线相连，形成闭合回路。
4.如权利要求2所述的提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法，其特征在于，所述的PTFE与纳米氧化铁质量比1：5。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述提高沉积微生物燃料电池的降解性能的方法在原位降解黑臭水体底泥有机污染物的增强阳极的微生物燃料电池中的应用。
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