CN110148771A - 一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，壳体内设置有油泥(为废弃钻井泥浆)，阴极设置在油泥上方，其上表面与空气接触，下表面与油泥接触；阳极为泡沫镍材料，置于油泥下部的油泥之中，位于阴极下方20cm处；阴极与阳极之间设置有质子交换膜；阴极与阳极通过导线与电阻或用电设备相连接。本发明与现有技术相比较，无需药剂或者电能的输入，结构简单，建造和运行成本低，易于管理维护，是一种经济有效的降解泥浆中石油烃且回收电能的新技术。
Description
技术领域
本发明是关于工业废弃物处置技术的，特别涉及一种用于油泥(即废弃钻井泥浆)处理的沉积型微生物燃料电池。
背景技术
微生物燃料电池的原理是基于通过细菌将生物可降解的有机物质转化为电能。在阳极，微生物将有机物转化为电子和质子。质子通过质子交换膜迁移到阴极表面，而电子从外部通过电路传递到阴极，氧气得到电子与质子结合，在阴极处形成水。该技术操作条件温和、安全高效、绿色、成本低廉、结构简单、易于管理。
影响微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)性能的因素很多，如微生物代谢分解底物、微生物-阳极间电子传递、阴极传递电子至电子受体、质子氢迁移到阴极区等。其中阳极电极材料对MFC产电性能的影响极大。优异的材料应具备以下特性：(1)导电性能好、电阻率低；(2)化学性能稳定、抗腐蚀性强；(3)生物相容性好；(4)比表面积大；(5)适当的机械强度和韧性。泡沫镍具有结构均一、质量轻、强度高、耐腐蚀性好、电导率高等特点。泡沫镍作为阳极材料具有极大的优势，既能为微生物提供大的比表面积，促进电子的传递速率，又能在合适的条件下输出高功率密度，而且泡沫镍在碱性和中性介质中具有良好的耐腐蚀性，是应用于MFC阳极设计中有潜力的电极材料。
在我国各大油田生产活动中，钻井工作每时每刻都会产生许多废弃的钻井泥浆。研究表明，废弃的钻井泥浆呈现强碱性，腐蚀性。它是一种含有矿物油、酚类化合物及重金属的复杂多相体系，其浸出液有较高毒性。钻井废泥浆直接排放会影响到作物生长的营养环境条件及其品质，长期堆积会造成地表植被的严重破坏，污染土壤和水源，危及人类的生存。因此，油田钻井废弃泥浆的处理，除了在安全工程方面需要予以重视，在废弃泥浆的后续处理方面也需要更好的方法及工艺。
对钻井废泥浆的主要治理技术方法有：焚烧法、固化/稳定化、氧化法以及生物法等。焚烧法、固化/稳定化和氧化法可以使其中的有害成分减少，从而对环境和人类健康的影响降低。但是，这三种技术在处理处置效果和成本之间很难达到平衡，而生物法具有节约能源、运行费用低、作用持久等特点，具有广阔的应用前景。生物修复方法一般包括地耕法、堆肥法、生物泥浆反应器法和生物浮选法。(1)地耕法成本低、操作简单、成功的潜力高、能耗低、处理量大。但是，地耕法需要大面积的土地，耗时长，尤其是对于那些难降解的和高分子PHCs化合物。此外，温度对地耕法的处理效率影响也非常显著，在寒冷地区，用地耕法对废弃钻井泥浆和含油污泥进行处理很难实现。同时，地耕法也会带来一些环境问题，如VOCs的污染以及地下水的污染。(2)与地耕法相比，堆肥法能够更有效地去除废弃物中的PHCs，还可以处理更多的有毒化合物，但是，堆肥法的处理能力要比地耕法小得多，而且处理含油泥浆同样需要较长时间，也需要较大面积。(3)生物泥浆反应器是一种处理废弃钻井泥浆快速有效的方法，并且能缩短处理时间，而且与其他的处理方法相比，生物泥浆反应器占地面积小。但是，这种方法工艺较复杂、处理成本高、耗能高，在处理过程中产生的VOCs也需要进一步处理，并且处理完成后仍需脱水，所有的处理均需要高额的花费。(4)生物浮选法既有效利用了资源，减少了对环境的污染，又能从含油污泥中回收油，为油田和炼油厂废弃物的有效治理提供了一种可行的技术方案。但是，该方法的工艺较复杂，且处理成本较高。
只有采用泡沫镍材料作为阳极的微生物燃料电池处理油泥，可以快速有效降解石油烃等污染物质，且操作简单、易于管理。
发明内容
废弃的钻井泥浆含有石油烃、酚类化合物等，呈现强碱性、腐蚀性。长期堆积会造成地表植被的严重破坏，污染土壤和水源，危及人类的生存。现有的废弃泥浆处理方法存在各自的缺点和不足，如处理时间长、工艺复杂、处理成本高等。
本发明的目的，主要是针对现有的废弃钻井泥浆(即油泥)处理方法的缺点和不足，提供一种采用泡沫镍材料作为阳极的微生物燃料电池对废弃钻井泥浆进行处理。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，包括阴极、阳极、电阻和壳体；其特征在于，壳体7内设置有油泥6即为废弃钻井泥浆，阴极1置于油泥6的上部，其上表面暴露于空气中作为空气阴极，下表面与油泥相接触；阳极2为泡沫镍材料，置于油泥6下部的油泥之中，位于阴极1下方5～25cm处，阴极1与阳极2之间设置有质子交换膜4，阴极1与阳极2通过导线3与电阻或用电设备5相连接。
所述阴极1为长5～20cm,宽5～20cm,厚度0.3～1cm的石墨板。
所述阳极为长5～20cm,宽5～20cm,厚度0.3～1cm的泡沫镍材料。
所述导线3为铜导线。
所述电阻5为100-1000欧姆。
所述壳体7的直径为15cm，高度为30cm。此时阴极、阳极尺寸均为长10cm，宽10cm，厚度1cm，阴极下表面与阳极上表面距离为20cm。
本发明微生物燃料电池用于废弃钻井泥浆石油烃的降解，与其他技术相比无需电能的输入，结构简单，建造和运行成本低，易于管理维护，能有效降解泥浆中石油烃等污染物。以泡沫镍材料作为阳极提供更高的功率密度，在处理石油烃泥浆的同时可产生足够高的电能，是一种经济有效的降解泥浆中石油烃且回收电能的技术。
附图说明
图1是本发明用于处理油泥的沉积型微生物燃料电池示意图。
附图标记如下：
1——阴极 2——阳极
3——导线 4——质子交换膜
5——电阻或用电设备 6——油泥
7——壳体
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明予以进一步描述。
如图1所示，壳体7内设置有油泥6，将石墨板阴极1置于泥浆上部，表面暴露于空气中作为空气阴极，为长10cm,宽10cm,厚度1cm的石墨板。壳体7的直径为15cm，高度为30cm采用塑料材料制备。阳极2为泡沫镍材料，置于壳体7底部的泥浆中，位于阴极下方20cm处，(可依据所用容器大小和需处理的油泥量进行调整)，阳极长度为10cm,宽为10cm,厚度为1cm(阳极泡沫镍材料是市售成品，其需有高的孔隙率，大的比表面积)。阴极1与阳极2之间设置有质子交换膜4，以便阳极产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极表面。阴极1与阳极2通过导线3与电阻或用电设备5相连接，导线3为铜导线；导线3与电阻连接时是为单纯进行废弃钻井泥浆的处理，此时电阻值为100-1000欧姆，当导线3与用电设备连接时则是利用微生物燃料电池产生的能量驱动用电设备，例如可为温度湿度计、pH计等电极供电。
目前，本发明主要用于废弃钻井泥浆石油烃等污染物的降解，产生的电能尚不足以驱动较大的用电设备。
目前使用最多的阳极材料是碳基材料，在使用泡沫镍作为微生物燃料电池阳极的情况下，可获得的最大功率密度为28～32W/m3，对比一般的碳毡阳极，功率密度提高了40％左右；石油烃去除率达到87％～93％，大大增加了去除效果。以上都说明了泡沫镍作为阳极材料具有极大的优势，既能为微生物提供大的比表面积，促进电子的传递速率，又能在合适的条件下输出高功率密度，是应用于MFC阳极设计中有潜力的电极材料。
微生物燃料电池的原理是基于通过细菌将生物可降解的有机物质转化为电能。
本发明用泡沫镍材料作为阳极的微生物燃料电池处理油泥，通过位于阳极的微生物消耗泥浆中的石油烃产生电能，结构简单，无需外部电能的输入。产生的电能可为温度湿度计、pH计等电极供电。此技术是一项经济有效的降解油泥中石油烃的技术。
本发明主要是微生物燃料电池阳极的微生物利用泥浆中的石油烃产生电能，阳极材料泡沫镍能提供高电导率，具有高孔隙率和高导电性的三维结构，为微生物提供大的比表面积，有利于生物膜生长，从而有利于电化学反应过程中的细胞外电子转移，提供更高的功率密度，能达到快速高效降解泥浆中石油烃的目的，使微生物燃料电池处理能力及产电性能得以增强，是一种经济有效的降解泥浆中石油烃且回收电能的技术。
Claims (6)
1.一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，包括阴极、阳极、电阻和壳体；其特征在于，壳体(7)内设置有油泥(6)即为废弃钻井泥浆，阴极(1)置于油泥(6)的上部，其上表面暴露于空气中作为空气阴极，下表面与油泥相接触；阳极(2)为泡沫镍材料，置于油泥(6)下部的油泥之中，位于阴极(1)下方5～25cm处，阴极(1)与阳极(2)之间设置有质子交换膜(4)，阴极(1)与阳极(2)通过导线(3)与电阻或用电设备(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极(1)为长5～20cm,宽5～20cm,厚度0.3～1cm的石墨板。
3.根据权利要求1所述的一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极为长5～20cm,宽5～20cm,厚度0.3～1cm的泡沫镍材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述导线(3)为铜导线。
5.根据权利要求1所述的一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述电阻(5)为100-1000欧姆。
6.根据权利要求1所述的一种用于油泥处理的沉积型微生物燃料电池，其特征在于，所述壳体(7)的直径为15cm，高度为30cm。此时阴极、阳极尺寸均为长10cm，宽10cm，厚度1cm，阴极下表面与阳极上表面距离为20cm。
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