專利名稱：同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護水處理、應用化學和新能源領域，具體涉及一種同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)。
背景技術：
微生物燃料電池技術能夠將污水中有機物所含的能量轉換成電能收集起來。但目前微生物燃料電池技術在依靠陽極產(chǎn)電微生物處理污水的同時，陰極往往是將氧氣還原成水，總的反應是有機物被氧氣氧化成了水和二氧化碳。隨著能源危機及清潔能源的需求增加，氫氣作為一種高熱值的清潔能源物質而備受人們關注，它的各種制備技術如太陽能光解水法、微生物發(fā)酵法、生物質超臨界氣化、石油裂解等也引起了人們的注意。但從污水中提取氫能的技術卻很少報道，由于污水中有機物在陽極被氧化的電位顯示一定的負值，而在同樣條件下陰極析出氫氣的電位也偏負，該反應不能自發(fā)發(fā)生，要想提取出污水中有機物質中的氫氣需要施加額外的能量。因此有人將污水中的能量通過微生物電解池技術以氫氣的形式提取出來，微生物電解池需要額外施加電能即在陰陽極之間施加一個偏壓，實現(xiàn)污水處理與產(chǎn)氫。通過輸入太陽光能，也是一種向系統(tǒng)施加能量的方式。生物陽極氧化污水中的有機污染物，產(chǎn)生質子于電子，而光陰極通過吸收太陽光產(chǎn)生空穴和電子，生物陽極產(chǎn)生的電子通過外電路與光陰極產(chǎn)生的空穴結合輸出電能，而光陰極產(chǎn)生的電子則與水反應產(chǎn)生氫氣。該反應可自發(fā)發(fā)生，向外輸出電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，為水處理技術提供一種簡單、方便、高效的處理裝置。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是包括電解池以及設置在電解池內(nèi)將電解池分為陽極室和陰極室的離子交換膜，在陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極和光陰極，陽極與光陰極通過導線與電阻相連接，光陰極側的一面設置有完全透光的石英玻璃窗口，陽極由產(chǎn)電微生物及陽極基底組成，光陰極采用具有太陽光響應的半導體材料，所述的陽極室內(nèi)盛放有含有機污染物的污水，陰極室內(nèi)盛放有電解質溶液。所述的產(chǎn)電微生物由厭氧顆粒污泥馴化得到，陽極基底為炭氈、炭布、炭紙、玻璃碳、炭黑或石墨。所述的含有機污染物的污水為含乙酸鹽、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白質等可生化降解有機物的廢水。所述的具有太陽光響應的半導體材料為鐵酸鈣、硫化鎘、硫化鋅、二氧化鈦或摻雜
二氧化鈦。所述的電解質溶液為硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉、磷酸二氫鉀溶液中的一種或多種溶液組成。
所述的離子交換膜采用只允許陰離子或者只允許陽離子通過的離子交換膜。所述的電解池采用有機玻璃或玻璃制成。本發(fā)明由離子交換膜隔開的陽極室和陰極室。陽極為附著的產(chǎn)電微生物，陽極室盛有污水；而陰極為具有可見光響應的半導體光電極，陰極室盛有導通離子用的電解質水溶液。在同一個光電化學池內(nèi)，污水中有機污染物被陽極上附著的產(chǎn)電微生物氧化成二氧化碳，同時釋放出電子和質子，質子通過電解質轉移到陰極而被光陰極還原成氫氣，電子通過外電路傳導到陰極，產(chǎn)生電能。


圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見圖1，本發(fā)明包括電解池1以及設置在電解池1內(nèi)將電解池分為陽極室7和陰極室8的只允許陰離子或者只允許陽離子通過的離子交換膜6，在陽極室7和陰極室8內(nèi)分別設置有陽極2和光陰極4，陽極2與光陰極4通過導線與電阻3相連接，電解池1由有機玻璃制成，為了完全透過太陽光，光陰極4側的一面設置有完全透光的石英玻璃窗口 5，陽極2 由產(chǎn)電微生物及陽極基底組成，產(chǎn)電微生物由厭氧顆粒污泥馴化得到，陽極基底為炭氈、炭布、炭紙、玻璃碳、炭黑或石墨，此類陽極基底能使產(chǎn)電微生物附著并能將微生物氧化有機物產(chǎn)生的電子轉移到外電路。光陰極4采用具有太陽光響應的半導體材料鐵酸鈣、硫化鎘、 硫化鋅、二氧化鈦或摻雜二氧化鈦，所述的陽極室7內(nèi)盛放有含有機污染物的污水，含有機污染物的污水為含乙酸鹽、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白質等可生化降解有機物的廢水，陰極室8內(nèi)盛放有硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉、磷酸二氫鉀溶液中的一種或多種溶液組成的電解質溶液。實施例1 以炭布作陽極基底，碳布上預先采用微生物燃料電池的陽極培養(yǎng)方法附著了產(chǎn)電微生物，沉積在ITO玻璃上的鐵酸鈣作光陰極，以陽離子交換膜將電解池隔成陰極室和陽極室，陽極室為圓柱形上留一小孔作為取樣檢測用，尺寸為直徑2cm長3cm，裝滿含有乙酸鈉的廢水約20mL，COD為1249mg/L ；陰極室也為圓柱形上有一孔作為取樣檢測用，尺寸同陰極室，只是在端面開有一石英玻璃窗口，以保證光線照射，裝滿0. IM硫酸鈉水溶液。陰極和陽極通過一個10歐姆的電阻用導線連接。整個裝置置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)，以模擬太陽光照射及保證適宜的微生物生長溫度，檢測電阻兩端的電壓，穩(wěn)定時約為10mV，經(jīng)過約20h的處理，電阻兩端電壓降為0. lmV，放出電能約為0. 7焦耳，同時檢測陽極室廢水COD 和陰極室氫氣的量，陽極室COD降為約250mg/L，C0D被去除了 80%。而陰極室中氫氣的量約為 200umol。實施例2 以炭布作陽極基底，碳布上預先采用微生物燃料電池的陽極培養(yǎng)方法附著了產(chǎn)電微生物，沉積在ITO玻璃上的鐵酸鈣作光陰極，以陽離子交換膜將電解池隔成陰極室和陽極室，陽極室為圓柱形上留一小孔作為取樣檢測用，尺寸為直徑2cm長3cm，裝滿約20mL濃度為約400mg/L COD的生活污水；陰極室也為圓柱形上有一孔作為取樣檢測用，尺寸同陰極室，只是在端面開有一石英玻璃窗口，以保證光線照射，裝滿0. IM硫酸鈉水溶液。陰極和陽極通過一個5歐姆的電阻用導線連接。整個裝置置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)，以模擬太陽光照射及保證適宜的微生物生長溫度，檢測電阻兩端的電壓，穩(wěn)定時約為6mV，經(jīng)過 20h的處理，電阻兩端電壓降為0. lmV，合計放出電能約0. 4焦耳，同時檢測陽極室廢水COD 和陰極室氫氣的量，陽極室COD為100mg/L，C0D被去除了約75%。而陰極室中氫氣的量約為 300umolo 通過本發(fā)明的實施，可以實現(xiàn)同時在陽極室處理污水和在陰極室產(chǎn)生氫氣并向外電路輸出電能的效果。
權利要求
1.同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于包括電解池(1)以及設置在電解池(1)內(nèi)將電解池分為陽極室(7)和陰極室(8)的離子交換膜(6)，在陽極室 (7)和陰極室⑶內(nèi)分別設置有陽極(2)和光陰極，陽極(2)與光陰極⑷通過導線與電阻C3)相連接，光陰極(4)側的一面設置有完全透光的石英玻璃窗口(5)，陽極O)由產(chǎn)電微生物及陽極基底組成，光陰極(4)采用具有太陽光響應的半導體材料，所述的陽極室 (7)內(nèi)盛放有含有機污染物的污水，陰極室(8)內(nèi)盛放有電解質溶液。
2.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的產(chǎn)電微生物由厭氧顆粒污泥馴化得到，陽極基底為炭氈、炭布、炭紙、玻璃碳、 炭黑或石墨。
3.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的含有機污染物的污水為含乙酸鹽、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白質等可生化降解有機物的廢水。
4.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的具有太陽光響應的半導體材料為鐵酸鈣、硫化鎘、硫化鋅、二氧化鈦或摻雜二氧化鈦。
5.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的電解質溶液為硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉、磷酸二氫鉀溶液中的一種或多種溶液組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的離子交換膜采用只允許陰離子或者只允許陽離子通過的離子交換膜。
7.根據(jù)權利要求1所述的同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，其特征在于所述的電解池(1)采用有機玻璃或玻璃制成。
全文摘要
同時產(chǎn)電、產(chǎn)氫及污水處理的微生物光電化學系統(tǒng)，包括電解池以及設置在電解池內(nèi)將電解池分為陽極室和陰極室的離子交換膜，在陽極室和陰極室內(nèi)分別設置有陽極和光陰極，陽極與光陰極通過導線與電阻相連接，光陰極側的一面設置有完全透光的石英玻璃窗口，陽極由產(chǎn)電微生物及陽極基底組成，光陰極采用具有太陽光響應的半導體材料，所述的陽極室內(nèi)盛放有含有機污染物的污水，陰極室內(nèi)盛放有電解質溶液。本發(fā)明在同一個微生物光電化學池內(nèi)，污水中有機污染物被陽極上附著的產(chǎn)電微生物氧化成二氧化碳，同時釋放出電子和質子，質子通過電解質轉移到陰極而被光陰極還原成氫氣，電子通過外電路傳導到陰極，產(chǎn)生電能。
文檔編號C25B1/10GK102329006SQ201110213719
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權日2011年7月28日
發(fā)明者宋揚, 楊濤, 王云海, 王白石, 陳慶云, 顧昕 申請人:西安交通大學