申请日2017.01.20
公开(公告)日2017.08.15
IPC分类号H01M4/86; H01M4/88; H01M4/90; H01M8/16; C02F3/34
摘要
本发明涉及一种提高微生物燃料电池处理聚醚废水产电量的方法，利用聚吡咯和蒽醌‑2,6‑二磺酸钠对碳毡进行包埋来提高产电量;微生物燃料电池的阳极室内难降解的聚醚废水，阴极室内是待讲解的甲基橙燃料废液。微生物在阳极室内对在自身胞内对聚醚废水中的COD进行氧化分解，生成游离的电子和质子，电子在到达阳极通过外电路传递到阴极，质子通过用于隔离阳极和阴极的质子膜，从阳极室内到达阴极室内，在阴极室内由于电场的作用到达阴极表面。质子、电子、氧气在阴极表面生成过氧化氢，过氧化氢将阴极室内的甲基橙废液氧化，使甲基橙废液脱色。
权利要求书
1.一种提高微生物燃料电池处理聚醚废水产电量的方法，其特征在于:用聚吡咯和蒽醌-2,6-二磺酸钠对碳毡进行包埋。
先将碳毡放在热反应炉中，以氨气为气体介质，在温度为600℃、时间为30s的条件下反应，以增加碳毡比表面积;
然后利用常规的电聚合-掺杂技术，采用三电极隔膜式H型电解槽，将表面积为3.0×3.0cm2的碳毡作为工作电极，在三电极隔膜式H型电解槽的工作电极室内加入100mL浓度为0.029mol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠(AQDS)和20mL浓度为0.12mol/L的聚吡咯(ppy)后混合均匀;
三电极隔膜式H型电解槽内的辅助电极室内的辅助电极为铂片，铂片表面积为1.0×1.0cm2，将辅助电极室通过阳离子交换膜与工作电极室相连;
在辅助电极室内填充120mL，浓度为0.1mol/L的H2SO4;三电极隔膜式H型电解槽内的参比电极采用饱和甘汞电极，用二次去离子水配制3mol/L，温度为20℃的KCl饱和溶液120mL，参比电极通过盐桥与工作电极室连接;
使用恒电位/恒电流仪控制三电极隔膜式H型电解槽的工作电流密度为1.83～1.86mA/cm2，制备温度为10.0～10.2℃，聚合时间为3600～3800s;
在工作电极表面形成一层聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠薄层，制得一个碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和一个碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极，将一个碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和一个碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极这两个电极保存在充有高纯氮的蒸馏水中;
所述的微生物燃料电池的结构，采用双池式结构，具有体积相等的阳极室(3)和阴极室(4);阳极室(3)和阴极室(4)之间用质子交换膜(7)相隔开;质子交换膜(7)的顶端和底端通过硅胶垫圈和垫片(2)密封，阳极室(3)和阴极室(4)底部固定连接一块垫板(8);阳极室(3)中具有聚醚废水，底物在微生物作用下被氧化，阴极室(4)中是甲基橙废水;阳极室(3)和阴极室(4)的顶部均连接一个电极插孔(1);将上述制得的碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极(5)通过阳极室(3)顶部的电极插孔(1)插入阳极室(3)中，将上述制得的碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)通过阴极室(4)顶部的电极插孔(1)插入阴极室(4)中;将碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极(5)接入外电路。
2.一种采用如权利要求1所述的提高微生物燃料电池处理聚醚废水产电量的方法，其特征在于：用聚吡咯和蒽醌-2,6-二磺酸钠对碳毡进行包埋。具有如下步骤;
①利用常规电聚合-掺杂技术，在工作电极、参比电极和辅助电极三电极隔膜式H型电解槽内完成聚合，将已经过比表面积增加处理之后的碳毡作为工作电极，工作电极室内填充100mL浓度为0.029mol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠(AQDS)和20mL浓度为0.12mol/L的聚吡咯(ppy)的混合液，使用恒电位/恒电流仪控制工作电流密度为1.85mA/cm2、制备温度为10℃、聚合时间为3800s，在工作电极表面形成一层聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠薄层，制得碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极;
②将制得的碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极(5)和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)同时接入外电路，并分别插入微生物燃料电池的阳极室(3)和阴极室(4)中，阳极室(3)和阴极室(4)体积相等且其间以质子交换膜(7)相隔;
③将整个微生物燃料电池在无菌净化操作台用紫外灯照射30min，吹风约15min将紫外照射后产生的臭氧吹出，组装完成图1所示的微生物燃料电池的结构;
④然后启动该微生物燃料电池，待运行至输出电压达到稳定，在阳极室(3)中加入COD为5000mg/L的聚醚废水，在阴极室(4)中加入20mg/L、pH=3.0的甲基橙溶液，温度控制在30±1℃左右;
⑤将微生物燃料电池接入负载电阻，由连接计算机的16通道信号采集器连续自动采集输出电压并存储，每隔1min记录1次，，外电路接入10000Ω的电阻，在装置启动后的0到70小时内电压不断增大，微生物燃料电池的产电量不断增大，在70小时后电压稳定在600mV，在120小时后取阳极中的聚醚废水测量其COD，其COD降为500mg/L，其COD去除率为90%;而用肉眼观测到阴极中的甲基橙染料，发现甲基橙燃料基本变为透明，说明微生物燃料电池对甲基橙的降解很彻底;
以下提供1个比较例，具体步骤如下;
微生物燃料电池，阴、阳两室的体积都为1L，阳极室(3)中加入COD为1500mg/L的聚醚废水，阴极室(4)中加入20mg/L甲基橙溶液，并调节阴极室(4)的溶液pH至3.0，外电路均接10000Ω电阻，启动微生物燃料电池;在阳极室(3)的聚醚废水氧化过程中，按时间先后分次吸取3ml底物，采用紫外分光光度计法确定聚醚废水COD的残余浓度，绘制出如附图3所示的时间和聚醚废水COD去除率的变化的曲线图;由图3可知，阴、阳电极均采用碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠材料的微生物燃料电池阳极室中的聚醚废水降解效率较高。
说明书
提高微生物燃料电池处理聚醚废水产电量的方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种提高微生物燃料电池处理聚醚废水产电量的方法。
背景技术
聚醚废水是聚醚多元醇类产品生产过程中产生的有机废水，基本组分为聚醚多元醇、苯乙烯、丙烯腈等，具有污染物种类多，成分复杂，有机浓度高，水质波动较大等特点。聚醚废水的COD浓度较高，其成分复杂但毒性不大，废水中含有各种分子量的聚醚产品中间体、未完全反应的原料及副反应产品，是一种较难降解的废水。在国内外聚醚废水处理技术领域中，利用微生物燃料电池(MFC)阳极氧化处理具有处理效率高、无二次污染、不需额外电能输入等优势。微生物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的产电装置，但是微生物燃料电池的产电量普遍较低。
为解决上述问题，赵煜(煤炭转化,2012,04，89-93)等提出在一定的温度范围内，温度提高可以有效提高微生物的电化学活性，增强细菌的产电能力，但其缺陷是需要额外输入电能。M.C.Costa(Bioresource Technology 101.2010，105–110)等提出在阳极厌氧条件下添加蒽醌-2,6-二磺酸钠(AQDS)能显著提高微生物燃料电池的产电率，但其缺陷是蒽醌-2,6-二磺酸钠易随出水流失造成二次污染。有效提高微生物燃料电池的产电量的方法可谓是少之又少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:本发明提供一中提高微生物燃料电池产电量的方法，应用于聚醚废水的处理当中。针对现有技术的不足，提供一种加速微生物燃料电池阳极处理聚醚废水的方法，采用碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴、阳电极，以增加阳极电子传递的速率，提高微生物燃料电池阳极聚醚废水氧化去除COD的速率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：微生物燃料电池的阳极室中是在微生物作用下被氧化的COD为5000mg/L的聚醚废水，阴极室中是待降解的甲基橙(20mg/L)。采用三电极隔膜式H型电解槽，将碳毡作为工作电极，在工作电极室内加入100mL浓度为0.029mol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠和20mL浓度为0.12mol/L的聚吡咯的均匀混合液，在电流密度为1.83～1.86mA/cm2、温度为10.0～10.2℃、聚合时间为3600～3800s的条件下在工作电极表面形成一层聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠薄层，制得碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠电极;再将碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极分别作为微生物燃料电池的阳极和阴极插入体积相等且其间以质子交换膜相隔的阳极室和阴极室中，并将碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极接入外电路;最后，阳极室中的被氧化的聚醚废水产生电子、质子，电子传递至碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极表面，经由外电路到达碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极，质子经质子交换膜扩散至阴极室，阴极室中的甲基橙染料、质子和经外电路到达碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极的电子在碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极表面与氧气发生反应生成H2O2，使甲基橙被氧化脱色。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果:一、本发明采用电聚合-掺杂技术制备碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠(CF/PPy/AQDS)电极，在微生物燃料电池阴、阳电极同时采用CF/PPy/AQDS电极，增加阳极电子传递的速率(即电子从微生物细胞内传递到燃料电池阳极的过程)，显著提高微生物燃料电池氧化聚醚废水的速率，能快递有效地处理聚醚废水。二、本发明不需要额外输入电能。微生物燃料电池阳极室产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面经由外电路到达阴极电极，电子不断地产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。同时，阴、阳电极同时采用CF/PPy/AQDS电极提高微生物燃料电池产电性能。三、本发明以废治废，阳极氧化聚醚废水产生的电能用于阴极的甲基橙燃料的氧化，具有非常高的环境友好性。四、本发明对甲基橙和聚醚废水的降解速率较快。阴极还原反应用于去甲基橙，阳极氧化反应用于去除本身较难降解的聚醚废水。阴、阳电极同时采用CF/PPy/AQDS电极增加了阳极电子传递的速率，加快了阳极的氧化反应和加大了阴极表面产生的H2O2的量，提高了对甲基橙和聚醚废水的降解速率。