CN112125389A - 一种同步污水处理与海水淡化的微生物正-反电渗析池（merc） - Google Patents

一种同步污水处理与海水淡化的微生物正-反电渗析池（merc） Download PDF

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车宇昂
张笑颖
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Abstract

本发明涉及一种同步污水处理与海水淡化的微生物正‑反电渗析池(MERC)，由微生物燃料电池(MFC)、正向电渗透析堆(ED)、反向电渗析堆膜(RED)三部分组成。具体地，在MFC的阳极室和阴极室之间放置由阳、阴离子交换膜构成的ED‑RED膜堆，形成多个脱盐室及浓缩室。在该种同步污水处理与海水淡化的微生物正‑反电渗析池中，阳极上的产电微生物消耗污水中的有机物，产生电子并通过外电路到达阴极室，在这个过程中，脱盐室的海水在没有任何外加压力和电场的条件下得到了淡化，同时该微生物正‑反电渗析池阳极室的污水得到了净化处理，并且产生了电能。

Description

一种同步污水处理与海水淡化的微生物正-反电渗析池 (MERC)
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池及处理污水、淡化海水的方法。
背景技术
当前能源问题是世界各国关注的重点，开发新型能源以及减少不必要的能源浪费成为当前各国的主要任务。以新型能源——盐差能为例，盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能，是以化学能形态出现的海洋能。一般海水含盐度为3.5％时，其和河水之间的化学电位差有相当于240m水头差的能量密度。从理论上讲，如果这个压力差能利用起来，从河流流入海中的每立方英尺的淡水可发0.65kW·h的电。盐差能作为海洋能中能量密度最大的一种可再生能源，其开发利用具有重要意义。
当前污水处理所消耗的能源，约占总能源消耗的3％，而污水本身包含的能源为处理污水所消耗能源的9.3倍。微生物燃料电池(MFC)技术利用产电微生物从可生物降解有机物直接发电，在处理污水的同时提供了用于从污水中回收能源的全新方法。MFC技术在将污水处理从耗能过程转化为净能源产生过程上具有广阔前景，大幅度提高污水处理和再利用的能源可持续性。
采用离子交换膜，根据海水和稀释海水之间的盐度差，可利用反向电渗析(RED)从熵能中产生能量。尽管RED是一种从盐度驱动的能量梯度中获取电能的有前途的技术，全球范围内利用RED获取的能量估计为1.7TW，但由于多种因素限制了RED系统的整体效率，因此在实际应用中尚未成功。同时，如果仅将微生物燃料电池(MFC)与反向电渗析堆膜(RED)联用，虽然在一定程度上MFC可以为RED提高电动势，同时具有较好的叠加效果，但是长期使用，由于RED产生的反向电流会使原电池即MFC失效。
发明内容
针对上述问题，本发明将微生物燃料电池(MFC)、正向电渗透析堆(ED)、反向电渗析堆膜(RED)三部分组合在一起，形成一种同步污水处理与海水淡化的微生物正-反电渗析池(MERC)。
本发明将正向电渗透析堆(ED)与反向电渗析堆膜(RED)联用，构成一个ED-RED堆膜。ED是一种行之有效的脱盐方法，其中施加外部电压以克服电动势(除了电极上的任何超电势以外)，以使离子按其各自的浓度梯度迁移以获得脱盐水。相反，RED中的电压低于电动势，离子在浓度梯度下移动以生成与电场方向相反的离子电流，离子可以在其各自的浓度梯度下以比RED条件下相应离子更快的速率扩散，同时避免RED单独使用对于微生物燃料电池的影响。
本发明将微生物燃料电池(MFC)与ED-RED堆膜组合，污水中的有机物在MFC的阳极被降解释放出电子，电子通过外接导线导入阴极，形成电势差。ED消耗电能，RED的反向过程则通过盐度梯度产生电能，在合理的组合下，可以实现脱盐室的海水在没有任何外加压力和电场的条件下得到淡化，同时MERC阳极室的污水得到净化处理，并产生电能。
特别地，不同的接种菌源以及菌源活性对MERC启动效果影响很大，经过厌氧驯化后接种启动反应器和从已经运行的MERC中转接菌源启动反应器能高效地启动微生物脱盐燃料电池，当接种菌源活性不高时会严重影响反应器的启动效果。
特别地，不同阴极电极材料对阳极电势没有影响，主要影响的是阴极电势，碳刷为阴极电极材料时其阴极电势低于碳纸，因此碳刷不仅是理想的阳极电极材料，也是理想的阴极电极材料。
附图说明
图1为微生物正-反电渗析池(MERC)原理图
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
微生物正-反电渗析池(MERC)搭建：对于MERC的外部腔室，将两块工程塑料分别制成横截面积为8.6cm2的圆柱形阴极腔室(容积22ml)和阳极腔室(容积37ml)。空气阴极的制备是在水面上使用铂催化剂与Nafion粘合剂(在8.6cm2上有4.3mg Pt)，在空气面上涂覆四个聚四氟乙烯扩散层。阳极为直径3.3cm、长2.8cm的石墨纤维刷，用已有MFC的流出液接种，并在单室MFC中进行富集。在此启动阶段，NaCl的浓度逐渐升高，因此在随后的MERC操作中，微生物活性不会受到盐度的影响。
正向电渗析堆膜(ED)总共由20个电池堆组成，其中有10个海水电池和10个稀释海水电池交替夹在阳极室和阴极室之间。反向电渗析堆膜(ED)总共由20个电池堆组成，其中有10个海水电池和10个稀释海水电池交替夹在阳极室和阴极室之间。正、反向电渗析堆膜共同组成一个包含40个电池堆的ED-RED联用堆膜。通过使用隔离物(聚乙烯网，4×0.6cm2)将膜间距离(单元宽度)保持为1.6mm，每个单元具有矩形横截面(4×2.4cm2)。
该系统在海水和淡化海水连续流动的情况下运行，除非另有说明，否则每种溶液都以1.05mL/min的固定速率由蠕动泵供应至MERC的阴极侧与阳极侧。通过测量一定流速下通过ED-RED压头损失，可以估算出该流速的泵浦功率。所有实验均在30℃的恒温室内进行。

Claims (8)

1.一种同步污水处理与海水淡化的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于，将正向电渗析堆(ED)与反向电渗析堆膜(RED)联用，作为微生物燃料电池(MFC)之间的膜堆，将ED-RED膜堆填入在微生物燃料电池当中。
2.根据权利1所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于正向电渗析堆膜(ED)共由20个电池堆组成，其中10个是海水电池，另外10个是稀释海水电池。
3.根据权利1-2所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于正向电渗析堆膜(ED)的20个电池堆夹在阳极室和阴极室之间。叠层包含10对阴、阳离子交换膜，以及交替组装的高盐度流道(HS)和低盐度流道(LS)的流动隔室。
4.根据权利1所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于反向电渗析堆膜(RED)共由20个电池堆组成，其中10个是海水电池，另外10个是稀释海水电池。
5.根据权利1，4所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于反向电渗析堆膜(RED)的20个电池堆夹在阳极室和阴极室之间。叠层包含10对阴、阳离子交换膜，以及交替组装的高盐度流道(HS)和低盐度流道(LS)的流动隔室。
6.根据权利1-5所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于使用隔离物为聚乙烯网。
7.根据权利6所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于使用隔离物，将阴、阳离子交换膜之间的间距控制在1.6mm。
8.根据权利1-7所述的微生物正-反电渗析池(MERC)，其特征在于海水从阴极侧引入，依次通过每个海水电池，稀释海水则以与海水相反的方向流动。每种溶液都以1.05mL/min的固定速率由蠕动泵供应至MERC的阴极侧与阳极侧。
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