專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微生物燃料電池及其處理苯胺廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微生物燃料電池及其處理苯胺廢水 的方法，可以在處理有機(jī)物的同時(shí)獲得電能。
背景技術(shù)：
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，進(jìn)入環(huán)境中的有害化合物越來(lái)越多，對(duì)動(dòng)植物的生 存和人類(lèi)生存都構(gòu)成了很大的危害，尤其具有致畸、致癌的小分子如苯胺等有機(jī)污染物的 危害更大。苯胺是醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、塑料等行業(yè)的重要原料，廣泛存在于這些行業(yè)的廢水 中。苯胺類(lèi)化合物有毒，如果不經(jīng)有效處理就直接排放，將會(huì)對(duì)人類(lèi)生存的環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污 染，已被美國(guó)EPA列為優(yōu)先控制的129種污染物之一。對(duì)廢水中苯胺的處理方法主要有吸 附法、萃取法、氧化法、微生物降解法等。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)苯胺的生物降解已開(kāi)展了大 量研究工作，已分離到一些在好氧或厭氧條件下降解苯胺的細(xì)菌，也有利用活性污泥、生物 膜反應(yīng)器降解苯胺類(lèi)污染物。在好氧生物處理過(guò)程中，存在的問(wèn)題是需要大規(guī)模的曝氣，處 理成本高，沒(méi)有考慮到廢水中有機(jī)物的利用問(wèn)題。厭氧生物處理苯胺廢水，苯胺不能有效的 降解，產(chǎn)生的甲烷氣體一般無(wú)法回收利用，直接排放到空氣中去了，污染環(huán)境。微生物燃料電池(MFC)是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝 置，它可以將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成能，并同時(shí)處理廢水。目前研究報(bào)道的MFC利用的 有機(jī)物主要為易降解的物質(zhì)，如葡萄糖、蔗糖、乙酸、乙醇等。由于對(duì)環(huán)境造成污染較嚴(yán)重的 是有毒有害廢水，這些實(shí)際排放的廢水中有機(jī)物含量豐富，如果能用MFC處理有毒有害廢 水的同時(shí)也能進(jìn)行發(fā)電，是MFC研究中的一大突破。國(guó)內(nèi)外至今還沒(méi)有有關(guān)MFC處理苯胺廢水的報(bào)道。本發(fā)明的目的是為苯胺廢水處 理提供一種新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種微生物燃料電池及其處理苯胺廢水 的方法，該方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低且效率高。本發(fā)明的技術(shù)方案一種微生物燃料電池，由陽(yáng)極室、陰極室、質(zhì)子膜、陽(yáng)極、陰極、硅膠墊圈、墊板和硅 膠墊片構(gòu)成，陽(yáng)極室和陰極室均為封頭式圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒部分即為反應(yīng)室，在陽(yáng)極室和陰極 室的圓筒上部分別設(shè)有電極插孔，陽(yáng)極反應(yīng)室和陰極反應(yīng)室內(nèi)分別設(shè)置陽(yáng)極和陰極并通過(guò) 導(dǎo)線(xiàn)分別從電極插孔密封引出，質(zhì)子膜呈正方形，其夾在兩個(gè)硅膠墊片之間并通過(guò)兩個(gè)墊 板固定，硅膠墊片和墊板的中心均開(kāi)有正方形方孔，方孔的邊長(zhǎng)小于質(zhì)子膜的邊長(zhǎng)，質(zhì)子膜 與墊板和硅膠墊片構(gòu)成質(zhì)子膜組件，兩個(gè)硅膠墊圈分別位于陽(yáng)極室和陰極室與質(zhì)子膜組 件之間，組裝后通過(guò)緊固螺栓連接固定，所述陽(yáng)極為碳布、碳紙、玻璃碳、發(fā)泡鎳、碳纖維、 碳納米管、儲(chǔ)氫合金、顆粒石墨或石墨氈；陰極為碳布、碳紙或石墨，陰極表面鍍有0. IOmg/ cm2-0. 7mg/cm2 的 Pt 催化劑。
一種該微生物燃料電池處理苯胺廢水的方法，步驟如下1)將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，在反應(yīng)溫度時(shí)30°C -40°C條件 下，外接1000 Ω電阻，利用厭氧污泥啟動(dòng)微生物燃料電池，當(dāng)電池電壓低于50mV時(shí)，完全更 換陽(yáng)極室的葡萄糖模擬廢水，待負(fù)載電壓穩(wěn)定在400mV以上，微生物燃料電池啟動(dòng)成功；2)微生物燃料電池成功啟動(dòng)后，陽(yáng)極室中葡萄糖廢水換成苯胺和葡萄糖的混合溶 液，測(cè)定苯胺、陽(yáng)極室中COD的降解率和電池的產(chǎn)電性能；3)減少陽(yáng)極室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作為單一電子供體。本發(fā)明的工作機(jī)理在處理苯胺廢水的過(guò)程中，附著在陽(yáng)極上的細(xì)菌新陳代謝，氧化廢水中有機(jī)物奪 得電子并生成質(zhì)子，所奪得的電子從微生物轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極電極上，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極 電極表面，同時(shí)生成的質(zhì)子也到達(dá)陰極電極表面，質(zhì)子、電子和氧氣在陰極室內(nèi)結(jié)合生成 水。在獲得電能的同時(shí)，由于微生物的分解代謝而使得廢水中有機(jī)物濃度降低，并且由于微 生物群落的不斷馴化具有電化學(xué)性的細(xì)菌可以在電極表面被富集培養(yǎng)起來(lái)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，處理效果和產(chǎn) 電量受溫度影響較小，可在常溫下應(yīng)用，最低應(yīng)用條件為20°C，葡萄糖和苯胺在不同濃度配 比下COD的去除率達(dá)到73% 77%，苯胺的去除率在71% 74. 4%，適于大規(guī)模的推廣與 應(yīng)用。


圖1為該微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.陽(yáng)極室2.陰極室3.質(zhì)子膜4.陽(yáng)極5.陰極6- I、II .硅膠墊圈7- I、II .墊板8- I、II .硅膠墊片9-Ι、ΙΙ·電極插孔圖2為苯胺和葡萄糖為混合燃料時(shí)電池的產(chǎn)電特性。圖3為苯胺和葡萄糖為混合燃料時(shí)電池中有機(jī)物的去除率。圖4為微生物燃料電池和厭氧生物處理兩種狀態(tài)下苯胺的去除率。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種微生物燃料電池，由陽(yáng)極室1、陰極室2、質(zhì)子膜3、陽(yáng)極4、陰極5、硅膠墊圈 6- I、II、墊板7- I、II和硅膠墊片8- I、II構(gòu)成，陽(yáng)極室1和陰極室2均為封頭式圓筒結(jié) 構(gòu)，圓筒部分即為反應(yīng)室，在陽(yáng)極室1和陰極室2的圓筒上部分別設(shè)有電極插孔9- I、II， 陽(yáng)極反應(yīng)室和陰極反應(yīng)室內(nèi)分別設(shè)置陽(yáng)極4和陰極5并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)分別從電極插孔9- KII 密封引出，質(zhì)子膜3呈正方形，其夾在兩個(gè)硅膠墊片8- I、II之間并通過(guò)兩個(gè)墊板7- I、 II固定，硅膠墊片8- Ι、ΙΙ和墊板7- I、II的中心均開(kāi)有正方形方孔，方孔的邊長(zhǎng)小于質(zhì) 子膜3的邊長(zhǎng)，質(zhì)子膜3與墊板7- I、II和硅膠墊片8- I、II構(gòu)成質(zhì)子膜組件，兩個(gè)硅膠 墊圈6- I、II分別位于陽(yáng)極室1和陰極室2與質(zhì)子膜組件之間，組裝后通過(guò)緊固螺栓連接 固定，所述陽(yáng)極4為碳紙；陰極5為碳紙，陰極表面鍍有0. 5mg/cm2的Pt催化劑；質(zhì)子膜為 Nafionl 17 膜。
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本發(fā)明所述微生物燃料電池的陽(yáng)極室中包括陽(yáng)極溶液，陽(yáng)極溶液可以富含有機(jī)物 的高COD值的有機(jī)污水，也可以是微生物容易利用的模擬廢水如葡萄糖、乙酸鈉等；所述微 生物燃料電池的陰極室中包括陰極溶液，在向陰極腔室中加入陰極溶液后，陰極溶液提供 電子受體，保證電池電極完成反應(yīng)。本發(fā)明陰極溶液為鈉鹽緩沖液，陰極溶液也可以為本領(lǐng) 域常用的氧化還原電位低于陽(yáng)極室溶液的溶液。陰極需要通入氧氣或空氣，陰極室內(nèi)通入 的氣體，阻力小，能耗少，而且能提供充足的電子受體，本發(fā)明利用空氣泵向陰極室鼓入空 氣。該微生物燃料電池處理苯胺廢水的方法，步驟如下1)用葡萄糖啟動(dòng)微生物燃料電池，向微生物燃料電池中加入葡萄糖模擬廢水， 葡萄糖模擬廢水的主要組成及含量為葡萄糖1000mg/L，10. 32g/LNa2HP04 · 12H20，3. 32g/ LNaH2PO4,0. 31g/LNH4Cl,0. 13g/LKCL。陽(yáng)極室加入葡萄糖模擬廢水后，先通入20分鐘氮?dú)猓?以保證陽(yáng)極室內(nèi)厭氧環(huán)境，加入?yún)捬跷勰嘧鳛榻臃N液，燃料和接種污泥比例為10 1。陽(yáng)極 溶液和厭氧污泥的總體積約占陽(yáng)極室總?cè)莘e的95%。陰極溶液為pH = 7的鈉鹽緩沖液，陰 極溶液的組成及含量為14. 365g/LNaH2P04 · 2H20,10g/LNaHC03。陰極室緩沖液的加入體積 占陰極室總?cè)萘康?5%。反映器放在恒溫槽內(nèi)，溫度為(30士0.1) °C。當(dāng)電壓降低至50mV 時(shí)，更換陽(yáng)極溶液，直至微生物燃料電池的輸出電壓穩(wěn)定。2)電池啟動(dòng)成功后，將葡萄糖的濃度降低至500mg/L，運(yùn)行一個(gè)周期；陽(yáng)極溶液更 換為葡萄糖和苯胺的混合溶液，苯胺的濃度保持500mg/L不變，葡萄糖的濃度依次更換為 500mg/L、300mg/L和100mg/L，苯胺和葡萄糖不同比例下均運(yùn)行一個(gè)周期。3)更換陽(yáng)極溶液以500mg/L的苯胺作為單一燃料，研究苯胺作為單一電子供體 時(shí)，MFC的產(chǎn)電性能和苯胺的降解率。苯胺和COD的采樣頻率為每天一次，用HPLC測(cè)苯胺 的含量，COD的測(cè)定采用GBl 1914-89水質(zhì)-化學(xué)需氧量測(cè)定-重鉻酸鉀法。本實(shí)驗(yàn)中MFC利用苯胺和葡萄糖作為混合燃料產(chǎn)電是可行的，苯胺和葡萄糖在不 同的濃度配比下的產(chǎn)電性能如圖2所示，苯胺濃度保持不變的情況下，隨著葡萄糖濃度的 降低，MFC的最大輸出功率密度降低。不同的濃度配比下COD和苯胺的去除率如圖3所示，由 圖3可以看出葡萄糖和苯胺的降解是同步進(jìn)行的，葡萄糖的含量對(duì)苯胺的降解影響不大。 本實(shí)驗(yàn)同時(shí)比較了 MFC和傳統(tǒng)的厭氧生物方法對(duì)苯胺廢水降解效率的不同。以500mg/L葡 萄糖+500mg/L苯胺為初始濃度的條件下，其中一個(gè)MFC斷開(kāi)外電路，使其為開(kāi)路狀態(tài)，比較 MFC和厭氧生物方法對(duì)苯胺的降解速率。MFC和厭氧生物兩種狀態(tài)下對(duì)苯胺的降解率如圖 4所示。由圖4可以看出MFC在閉路狀態(tài)下經(jīng)過(guò)5天對(duì)苯胺的去除率達(dá)到72. 8%，開(kāi)路厭 氧狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)5天苯胺的去除率為62%?？梢钥闯鲩]路狀態(tài)下苯胺的降解速率高于開(kāi)路 厭氧狀態(tài)下苯胺的降解速率約10%，表明在MFC中閉路狀態(tài)下可能會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)苯胺的 降解。本發(fā)明的有益效果是1)本發(fā)明的微生物燃料電池處理苯胺廢水方法，比傳統(tǒng)的 厭氧生物處理方法處理效率高約10%;2)苯胺和葡萄糖在不同濃度配比下COD的去除率達(dá) 到73% 77%，苯胺的去除率在71% 74. 4%，苯胺和葡萄糖的降解是同步的，以500mg. L—1苯胺為單一燃料時(shí)苯胺的降解率為74% ;3)降解苯胺的同時(shí)穩(wěn)定的向外輸出電能。苯 胺和葡萄糖的質(zhì)量濃度比為濃度之比為1 1、3 5、1 5時(shí)，MFC的最大輸出電壓分別 為430mV、402mV、390mV ；最大輸出功率功率密度分別為205mW/m2、180mW/m2、169mW/m2。以500mg/L苯胺為單一燃料時(shí)，MFC的最大輸出電壓為280mv，最大輸出功率為87mW/m2。本發(fā) 明可以在葡萄糖和苯胺為共基質(zhì)的情況下，馴化微生物使其能在降解苯胺的同時(shí)向外輸出 電能，處理廢水的同時(shí)進(jìn)行資源回收。本發(fā)明的微生物燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定，陽(yáng)極微生物經(jīng)過(guò) 不斷的馴化后，具有電化學(xué)活性微生物不斷的在陽(yáng)極富集起來(lái)，微生物降解苯胺的同時(shí)穩(wěn) 定的向外輸出電能。本發(fā)明對(duì)苯胺有較好的去除效果的同時(shí)有穩(wěn)定的電能輸出，是一種高 效的、無(wú)污染的處理苯胺廢水的新方法。
權(quán)利要求
一種微生物燃料電池，由陽(yáng)極室、陰極室、質(zhì)子膜、陽(yáng)極、陰極、硅膠墊圈、墊板和硅膠墊片構(gòu)成，陽(yáng)極室和陰極室均為封頭式圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒部分即為反應(yīng)室，在陽(yáng)極室和陰極室的圓筒上部分別設(shè)有電極插孔，陽(yáng)極反應(yīng)室和陰極反應(yīng)室內(nèi)分別設(shè)置陽(yáng)極和陰極并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)分別從電極插孔密封引出，質(zhì)子膜呈正方形，其夾在兩個(gè)硅膠墊片之間并通過(guò)兩個(gè)墊板固定，硅膠墊片和墊板的中心均開(kāi)有正方形方孔，方孔的邊長(zhǎng)小于質(zhì)子膜的邊長(zhǎng)，質(zhì)子膜與墊板和硅膠墊片構(gòu)成質(zhì)子膜組件，兩個(gè)硅膠墊圈分別位于陽(yáng)極室和陰極室與質(zhì)子膜組件之間，組裝后通過(guò)緊固螺栓連接固定，其特征在于所述陽(yáng)極為碳布、碳紙、玻璃碳、發(fā)泡鎳、碳纖維、碳納米管、儲(chǔ)氫合金、顆粒石墨或石墨氈；陰極為碳布、碳紙或石墨，陰極表面鍍有0.10mg/cm2 0.7mg/cm2的Pt催化劑。
2.一種如權(quán)利要求1所述微生物燃料電池處理苯胺廢水的方法，其特征在于步驟如下1)將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，在反應(yīng)溫度時(shí)30°C-40°C條件下， 外接1000 Ω電阻，利用厭氧污泥啟動(dòng)微生物燃料電池，當(dāng)電池電壓低于50mV時(shí)，完全更換 陽(yáng)極室的葡萄糖模擬廢水，待負(fù)載電壓穩(wěn)定在400mV以上，微生物燃料電池啟動(dòng)成功；2)微生物燃料電池成功啟動(dòng)后，陽(yáng)極室中葡萄糖廢水換成苯胺和葡萄糖的混合溶液， 測(cè)定苯胺、陽(yáng)極室中COD的降解率和電池的產(chǎn)電性能；3)減少陽(yáng)極室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作為單一電子供體。
全文摘要
一種微生物燃料電池，由陽(yáng)極室、陰極室、質(zhì)子膜、陽(yáng)極、陰極、硅膠墊圈、墊板和硅膠墊片構(gòu)成，所述陽(yáng)極為碳紙、玻璃碳等；陰極為碳布、碳紙或石墨，陰極表面鍍有Pt催化劑。應(yīng)用該微生物燃料電池處理苯胺廢水的方法，步驟如下1)將葡萄糖模擬有機(jī)廢水注入微生物燃料電池內(nèi)，利用厭氧污泥啟動(dòng)微生物燃料電池；2)將陽(yáng)極室中葡萄糖廢水換成苯胺和葡萄糖的混合溶液，測(cè)定苯胺、陽(yáng)極室中COD的降解率和電池的產(chǎn)電性能；3)減少陽(yáng)極室中葡萄糖的含量，最后以苯胺作為單一電子供體。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低、可在常溫下應(yīng)用，COD的去除率和苯胺的去除率較高，效果明顯，適于大規(guī)模的推廣與應(yīng)用。
文檔編號(hào)C02F3/34GK101924228SQ20101026201
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者葉建山, 張偉德, 張嘉琪, 張旭宏, 武晨, 池強(qiáng)龍, 王曉麗, 鄭嗣華 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)