申请日2016.05.25
公开(公告)日2016.08.17
IPC分类号H01M4/88; H01M4/90; H01M8/16
摘要
本发明公开了一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，包括以下步骤：(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;(2)将步骤(1)得到的污泥进行干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于700～1000℃下煅烧1.5～4小时，经酸处理后用蒸馏水洗至中性，在55～105℃下干燥后过筛得到自掺杂碳催化材料粉末。本发明的方法简单，成本低，原料来源广泛，提高了催化材料中氮元素的含量，催化材料具有更好的氧还原催化性能。
摘要附图
权利要求书
1.一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;
所述硝化驯化，具体为：
活性污泥在pH=7.0～8.0的硝化驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧硝化驯化培养，控制MLSS在3～6g/L，得到以硝化细菌为优势菌的自养型活性污泥絮体;所述硝化驯化液包含氨氮;
所述苯酚驯化，具体为：
活性污泥在pH=7.0～8.0的苯酚驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧苯酚驯化培养，控制MLSS在3～6g/L;得到苯酚降解细菌为优势菌的异养型活性污泥絮体;所述苯酚驯化液包含苯酚;
(2)将步骤(1)得到的污泥进行干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于700～1000℃下煅烧1.5～4小时，经酸处理后用蒸馏水洗至中性，在55～105℃下干燥后过筛得到自掺杂多孔污泥碳材料粉末，即自掺杂碳催化材料。
2.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述硝化驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、无机碳源和氨氮;所述苯酚驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、氮源和苯酚。
3.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述硝化驯化液中氨氮的浓度为200～500mg/L。
4.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述苯酚驯化液中苯酚的浓度为500～1000mg/L。
5.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式;所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式。
6.根据权利要求5所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在氨氮浓度为50、100、150、200、250、300、400、500mg/L的硝化驯化液中驯化。
7.根据权利要求5所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在苯酚浓度为50、100、200、300、400、600、800、1000mg/L的苯酚驯化液中驯化。
8.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述活性污泥为富含氧元素、氮元素、铁元素的活性污泥。
9.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述活性污泥为焦化废水活性污泥。
10.根据权利要求1所述的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，其特征在于，所述自掺杂碳催化材料粉末包括氮掺杂多孔碳、铁掺杂多孔碳以及表面富含氧官能团多孔碳。
说明书
一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法
技术领域
本发明涉及电极催化材料技术领域，特别涉及一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法。
背景技术
燃料电池包括微生物燃料电池是清洁环保的新兴产电技术，其中一大类电池阴极由氧气直接参与反应，阴极氧还原的性能是影响电池产电效率的重要原因，因而阴极氧还原催化剂的性能是限制燃料电池实际应用的关键性因素。目前，铂碳催化剂是最高效的氧还原催化材料，但由于其造价高，产量低等不足之处使得广大研究人员迫切寻找一种低价高效的铂碳催化剂替代品。其中研究人员发现，经氮、铁等元素的掺杂碳材料，其氧还原催化活性有明显提高。
另一方面，活性污泥法是处理生活生产废水中最常用的一种方法，活性污泥是其副产物，富集了大量有机毒物、重金属和病原体，若处理利用不当将带来二次污染的风险，因此活性污泥的处置与利用成为污水厂工作的一大难题。
活性污泥主要由生物质、有机污染物和无机物等成分构成。其中有机成分主要是污水中的有机物、微生物体及其胞外聚合物和少量原生、后生动物，含有丰富的C、H、N、O、S等元素;无机成分有P、S、K、Ca、Mg、Na、Cl、B、Fe、Al、Cu、Co、Cr等元素。无机物以及丝状菌构成活性污泥的骨架，是微生物附着生长的模板，Fe、Al等絮凝剂成分和丝状菌使得活性污泥具有较大的比表面积和疏松的形貌。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，通过前期驯化处理，提高碳材料中氮元素的含量、比表面积、导电性，使得碳材料具备类似石墨烯结构，最终提升碳材料氧还原催化性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，得到驯化后的活性污泥;
所述硝化驯化，具体为：
活性污泥在pH=7.0～8.0的硝化驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧硝化驯化培养，控制MLSS在3～6g/L，得到以硝化细菌为优势菌的自养型活性污泥絮体;所述硝化驯化液包含氨氮;
所述苯酚驯化，具体为：
活性污泥在pH=7.0～8.0的苯酚驯化液中，通入流量为1～3L/min的空气进行好氧苯酚驯化培养;控制MLSS在3～6g/L;得到苯酚降解细菌为优势菌的异养型活性污泥絮体;所述苯酚驯化液包含苯酚;
(2)将步骤(1)得到的污泥进行干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于700～1000℃下煅烧1.5～4小时，经酸处理后用蒸馏水洗至中性，在55～105℃下干燥后过筛得到自掺杂多孔污泥碳材料粉末，即自掺杂碳催化材料。
所述硝化驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、无机碳源和氨氮;所述苯酚驯化液包含磷酸缓冲液、矿物质溶液、维生素溶液、氮源和苯酚。
所述硝化驯化液中氨氮的浓度为200～500mg/L。
所述苯酚驯化液中苯酚的浓度为500～1000mg/L。
所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式;所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式。
所述好氧硝化驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在氨氮浓度为50、100、150、200、250、300、400、500mg/L的硝化驯化液中驯化。
所述好氧苯酚驯化培养采用梯度浓度培养的方式，具体为：依次在苯酚浓度为50、100、200、300、400、600、800、1000mg/L的苯酚驯化液中驯化。
所述活性污泥为富含氧元素、氮元素、铁元素的活性污泥。
所述活性污泥为焦化废水活性污泥。
所述自掺杂碳催化材料粉末包括氮掺杂多孔碳、铁掺杂多孔碳以及表面富含氧官能团多孔碳。
本发明的原理为：
本发明通过对活性污泥进行驯化，在驯化培养的过程中，污泥中的微生物的种类向选择性的特定功能种类演变，适应特定环境的微生物数量，不能利用特定营养物质的微生物则逐渐死亡、淘汰。最终活性污泥中的微生物可形成大量且较稳定单一的优势群体。通过特定的驯化培养，污泥中的氮元素含量得到进一步富集和提高，碳氮比趋于稳定，加上活性污泥中丰富的碳、氧、铁元素，使得驯化活性污泥所制备的碳材料应具有更强的导电能力、氧还原催化活性和稳定制备的可控性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过对活性污泥进行硝化驯化或苯酚驯化，提高了催化材料中氮元素的含量，具有更好的氧还原催化性能。
(2)本发明的基于活性污泥驯化的自掺杂碳催化材料的制备方法，工艺简单，成本低，原料来源广泛。
(3)本发明制备的自掺杂碳催化材料粉末具有形貌疏松多孔、类似石墨烯结构，且比表面积高、比重轻、循环稳定性良好和耐中毒的特性。
(4)本发明制备的自掺杂碳催化材料所掺杂元素均来源于活性污泥，氮元素、铁元素的掺杂提高了氧还原活性。