CN113248006A - 一种建筑工地用水的微生物脱盐电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，包括分别为阳极室、阴极室和中间室，所述中间室设有进水口和出水口；所述阳极室和阴极室均设有出气口以保证产生的微量气体逸出；所述阳极室、阴极室和中间室通过不同的离子交换膜分隔，所述阳极室内插设有钛芯碳纤维刷作为阳极电极电刷；所述阴极室内插设有钛芯碳纤维刷作为作为阴极电极电刷，所述阳极室电刷和阴极室电刷通过导线与外部有电源连接，本发明使用离子交换膜和消毒后的方法(如紫外线灯)可以防止潜在的微生物污染软化水，使得生物发电可以进一步提高，从而软化水的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电化学脱盐技术领域，尤其涉及一种建筑工地用水的微生物脱盐电池。
背景技术
在偏远地区施工时无可直接饮用水源需要临时建设水处理设施，简单高效就成为最主要的需求。
微生物脱盐电池(MDCs)是一种极具吸引力的环保技术，可以用相对较少的能量消耗(通过在正常压力下泵送系统)从水中除去离子。MDCs来源于微生物燃料电池(MFCs)，这是一种利用微生物作为生物催化剂将化学能转化为电能的生物电化学装置。尽管MDCs水软化技术在能耗低、所需化学品少、废水处理功能结合等方面具有潜在优势，但我们也必须注意到它的局限性，如：因为其阳极的生物过程很慢，MDCs处理通常需要很长时间。
发明内容
本发明的目的是为了对MDCs在配置和操作方面进行优化，从而提高软化水的效率，而提出的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，包括一个三室的反应腔，分别为阳极室、阴极室和中间室，所述中间室设有进水口和出水口；
所述阳极室和阴极室均设有出气口以保证产生的微量气体逸出；
所述阳极室、阴极室和中间室通过不同的离子交换膜分隔，所述阳极室和中间室之间设置有一个阴离子交换膜AEM，所述阴极室和中间室之间设有一个阳离子交换膜CEM；
所述阳极室内插设有钛芯碳纤维刷作为阳极电极电刷；所述阴极室内插设有钛芯碳纤维刷作为作为阴极电极电刷，所述阳极室电刷和阴极室电刷通过导线与外部有电源连接。
所述MDCs的主体为工程塑料制成。
所述微生物脱盐电池的使用时优化方案：在用于水软化之前，MDCs预先操作使用NaCl溶液在注入中间室促使阴离子交换膜AEM和阳离子交换膜CEM形成一个功能良好的生物膜；
所述阳极室和阴极室与中间室的有效容积比为20：3；
确保外部电阻≤1欧姆以实现高电流产生；
在水软化过程中，钙、镁离子通过阳离子交换膜进入阴极室，氯离子和其他阴离子通过阴离子交换膜进入阳极室。
使用注射泵，以0.042L/min的速度将合成阳极溶液以乙酸为碳源送入阳极室。
阳极溶液的配比为每L超纯水中加入：醋酸钠，3g；酵母提取物0.1g；氯化钠，0.5g；MgSO4，0.015g；NaHCO3，0.1g；氯化钙，0.02g；NH4Cl，0.15g；K2HPO4，1.07g；KH2PO4，0.53g；微量元素为1L。有机物被过量供给，以确保阳极反应不是软化过程中的限制因素。
采用好氧和厌氧污泥混合接种阳极，以铁氰化钾作为阴极电解质的末端电子受体，用每L超纯水配比3g的K3[Fe(CN)6]制备阴极液。
所述阴极液中还含有10mM磷酸缓冲液，所述磷酸缓冲液中K2HPO4浓度1.07g/L；KH2PO4浓度0.53g/L。
现有技术相比，本发明提供了一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，具备以下有益效果：
1、使用离子交换膜和消毒后的方法(如紫外线灯)可以防止潜在的微生物污染软化水，使得生物发电可以进一步提高，从而软化水的效率。
2、通过对MDCs阳极电极和阴极电极的选取以及反应腔和中间膜的优化处理，在保证重金属离子的去除效率的前提下大大提高了软化水的效率。
附图说明
图1是碳纳米管功能化交指电极的SEM图。
图2是在(A)闭合电路和(B)开路操作下的电流(或电压)变化和硬度去除效率。
图3是(A)更换AEM和CEM前不同稀释硬度水的电流变化；(B)硬度浓度与总电荷/峰值电流之间的关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，包括一个三室的反应腔，所述MDCs的主体为工程塑料制成，所述三室的反应腔分别为阳极室2、阴极室3和中间室1，所述中间室1设有进水口6和出水口7；所述阳极室和阴极室均设有出气口12以保证产生的微量气体逸出；所述阳极室2、阴极室3和中间室1通过不同的离子交换膜分隔，所述阳极室和中间室之间设置有一个阴离子交换膜AEM4，所述阴极室和中间室之间设有一个阳离子交换膜CEM5；所述阳极室和阴极室与中间室的有效容积分别设置为60L和9L；所述阳极室内插设有钛芯碳纤维刷作为阳极电极电刷8；所述阴极室内插设有钛芯碳纤维刷作为作为阴极电极电刷9，所述阳极室电刷8和阴极室电刷9通过导线11与外部有电源10连接。
所述微生物脱盐电池的使用时，在用于水软化之前，MDCs预先操作使用NaCl溶液在注入中间室促使阴离子交换膜AEM4和阳离子交换膜CEM5形成一个功能良好的生物膜；
确保外部电阻≤1欧姆以实现高电流产生；
在水软化过程中，钙、镁离子通过阳离子交换膜进入阴极室，氯离子和其他阴离子通过阴离子交换膜进入阳极室。
微生物脱盐电池的使用时，使用注射泵，以0.042L/min的速度将合成阳极溶液以乙酸为碳源送入阳极室。
阳极溶液的配比为每L超纯水中加入：醋酸钠，3g；酵母提取物0.1g；氯化钠，0.5g；MgSO4，0.015g；NaHCO3，0.1g；氯化钙，0.02g；NH4Cl，0.15g；K2HPO4，1.07g；KH2PO4，0.53g；微量元素为1L。有机物被过量供给，以确保阳极反应不是软化过程中的限制因素。
采用好氧和厌氧污泥混合接种阳极，以铁氰化钾作为阴极电解质的末端电子受体，用每L超纯水配比3g的K3[Fe(CN)6]制备阴极液。
所述阴极液中还含有10mM磷酸缓冲液。
所述磷酸缓冲液中K2HPO4浓度1.07g/L；KH2PO4浓度0.53g/L。
本发明中，在闭合电路条件下，平均峰值电流为13.16mA，平均硬度去除率为95％(图2A)。另一方面，在无电流产生的op圆环条件下，产生了大于700mV的电压，而硬度仅降低了27％(图2B)。
为了进一步建立电流生成与硬度去除之间的关系，将CaCO3平均硬度为2080mg/L的水样稀释至原浓度的10％(0.1倍)、25％(0.25倍)、50％(0.5倍)以及不稀释(1倍)。当硬水浓度最低时，CaCO3浓度约为200mg/L，峰值电流为0.87mA；当CaCO3浓度增加到520mg/L时，峰值为3.70mA；稀释0.5X时，浓度为1050mg/L的CaCO3产生7.30mA的峰值电流；在全强度时，峰值电流为14.11mA(图3A)。这表明硬水浓度与峰值电流之间几乎呈线性关系(图3B)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，简称MDCs，用于无盐水软化和重金属的去除，其特征在于，包括一个三室的反应腔，所述三室的反应腔分别为阳极室(2)、阴极室(3)和中间室(1)，所述中间室(1)设有进水口(6)和出水口(7)；
所述阳极室和阴极室均设有出气口(12)以保证产生的微量气体逸出；
所述阳极室(2)、阴极室(3)和中间室(1)通过不同的离子交换膜分隔，所述阳极室和中间室之间设置有一个阴离子交换膜AEM(4)，所述阴极室和中间室之间设有一个阳离子交换膜CEM(5)；所述阳极室和阴极室与中间室的有效容积比为20：3；
所述阳极室内插设有钛芯碳纤维刷作为阳极电极电刷(8)；所述阴极室内插设有钛芯碳纤维刷作为作为阴极电极电刷(9)，所述阳极室电刷(8)和阴极室电刷(9)通过导线(11)与外部有电源(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池，其特征在于：所述MDCs的主体为工程塑料制成。
3.根据权利要求1所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：在用于水软化之前，MDCs预先操作使用NaCl溶液在注入中间室促使阴离子交换膜AEM(4)和阳离子交换膜CEM(5)形成一个功能良好的生物膜；
确保外部电阻≤1欧姆以实现高电流产生；
在水软化过程中，钙、镁离子通过阳离子交换膜进入阴极室，氯离子和其他阴离子通过阴离子交换膜进入阳极室。
4.根据权利要求3所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：使用注射泵，以0.042L/min的速度将合成阳极溶液以乙酸为碳源送入阳极室。
5.根据权利要求4所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：阳极溶液的配比为每L超纯水中加入：醋酸钠，3g；酵母提取物0.1g；氯化钠，0.5g；MgSO4，0.015g；NaHCO3，0.1g；氯化钙，0.02g；NH4Cl，0.15g；K2HPO4，1.07g；KH2PO4，0.53g；微量元素为1L。有机物被过量供给，以确保阳极反应不是软化过程中的限制因素。
6.根据权利要求1所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：采用好氧和厌氧污泥混合接种阳极，以铁氰化钾作为阴极电解质的末端电子受体，用每L超纯水配比3g的K3[Fe(CN)6]制备阴极液。
7.根据权利要求6所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：所述阴极液中还含有10mM磷酸缓冲液。
8.根据权利要求7所述的一种建筑工地用水的微生物脱盐电池的使用方法，其特征在于：所述磷酸缓冲液中K2HPO4浓度1.07g/L；KH2PO4浓度0.53g/L。
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