申请日2014.02.24
公开(公告)日2014.05.21
IPC分类号H01M8/16; H01M4/96; C02F101/30; C02F3/34; H01M8/02
摘要
本发明公开了属于微生物燃料电池污水处理技术领域的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化学装置，包括阳极室和阴极室，在阳极室内部均匀填充有碳纳米管，作为阳极和微生物载体;接种有机污水和厌氧消化污泥，将阳极室和阴极室用硅胶垫密封，阳极室内为厌氧环境;阳极室出水口连有三相分离器。该装置以碳纳米管填充阳极室构成一个填充床反应器，没有加任何其它催化剂，装置简单易于操作，并且采用连续式而非传统的批式处理方式，可以持续高效地处理污水，当有机负荷为4g COD·L-1·d-1，水力停留时间为16个小时时，污水去除率可达90%左右，阳极室出水口增加三相分离器利于解决由于碳颗粒材料流出造成堵塞、维护难的问题。
权利要求书
1.一种连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化学装置，所述微生 物电化学装置包括阳极室(1)和阴极室(8)，其特征在于，所述阳极室(1) 内部均匀填充、固定有碳纳米管，中心处设有钛丝(2);将阳极室(1)和阴极 室(8)用硅胶垫(10)密封;阳极室(1)的顶部设有阳极室出水口(11)，阳 极室出水口(11)外接三相分离器(23)。
2.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述碳纳米管在阳极室(1)内的填充密度为0.13-0.19g/ml。
3.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述碳纳米管的直径为2-30nm。
4.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述阳极室(1)内接种有机污水和厌氧消化污泥，其中， 有机污水作为电解液，厌氧消化污泥提供产电微生物。
5.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述微生物电化学装置还包括分隔膜(6)，其将阳极室 (1)与阴极室(8)分开，阳极室(1)与阴极室(8)的体积比为1:1。
6.根据权利要求5所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述阴极室(8)内设有阴极(16)，分隔膜(6)与阴极 (16)的距离为1-4厘米。
7.根据权利要求5所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述分隔膜(6)的两侧设有玻璃隔板(3)，用于支撑分 隔膜(6)形成三明治结构并避免其过度弯曲。
8.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述阴极室(8)内的电解液为经曝气处理的磷酸盐缓冲 液。
9.根据权利要求1所述的连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化 学装置，其特征在于，所述阳极室(1)内或设有除碳纳米管外的其他碳基电极 材料，其他电极材料与碳纳米管的体积比为1:2-1:2.5。
10.权利要求1-9任一项所述的微生物电化学装置连续处理污水产电的方法， 其特征在于，具体实现方式如下：
将有机污水连续注入所述微生物电化学装置中，控制污水的有机负荷率为 0.2g COD·L-1·d-1-4g COD·L-1·d-1;阳极室中的产电微生物分解进入阳极室(1) 内的有机污水，反应产生的电子通过钛丝(2)和外电路到达阴极(16)，产生 的氢离子通过分隔膜(6)到达阴极室(8)，与阴极室(8)内电解液中的氧气 及电子结合生成水。
说明书
连续处理污水产电的碳纳米管载体型微生物电化学装置
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池污水处理技术领域，具体涉及一种以碳纳米管 同时作为阳极和微生物载体的微生物电化学装置，其可以连续运行处理污水产 电。
背景技术
由于全球变暖和能源危机使得人们急于寻找一种环境友好和可再生的能源， 微生物燃料电池(MFC)是符合人们期望的一种生产新能源的装置。MFC以微 生物为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能，有潜力持续地去除环境中的 污染物并且产生电能。典型的MFC包括阳极、阴极，有时两极室中间有隔膜。 双室反应器中的阴阳两极间隔膜有非常重要的作用，膜选择透过从阳极室到阴 极是的质子，同时对氧气和底物的传质起到阻碍作用，提高MFC的效率。电极 材料是影响微生物燃料电池性能最重要的因素，尤其阳极是MFC产电的限制因 素，微生物附着、电子传递和底物氧化都直接受到阳极的影响，为了让微生物 更好的生长以提高产电，MFC中的阳极需要有大的表面积，高导电性和抗腐蚀 能力。
近年来，碳材料如碳纸、碳布和石墨等因其在混合菌中的稳定性和高导电 性和大的表面积已经被广泛用作MFC的阳极材料。如中国专利“一种非曝气生 物阴极微生物燃料电池反应器及其阳极”(公开号CN202231105U)中公开的阳 极是将碳纤维植入不锈钢网中以增大表面，但这样的方式增加了操作的复杂性， 同时不锈钢在体系中的长期运行是否可行还有待研究。中国专利“无离子交换 膜无介体柱型微生物燃料电池”(公开号CN101667651A)中通过在阳极室内填 满颗粒活性炭，以碳棒连接活性炭和外电路;中国专利“一种微生物燃料电池” (公开号CN103337650A)所述阳极材料是柱状活性炭颗粒，但是活性炭的表面 积较小，且内阻较大。
碳纳米管作为一种新型材料具有独特的物理/化学特性，如良好的导电性、 高的机械强度和高比表面积，虽然其已经被用作MFC的电极材料或者电极修饰 材料，如碳布负载碳纳米管、碳纳米管通过粘结剂压缩成型等，但是未经处理 的碳纳米管还未被同时用作MFC的阳极材料和微生物载体。另外，本发明的微 生物电化学装置被设计为一种在阳极室内填充有碳纳米管的填充床反应器，碳 纳米管作为载体与阳极材料，底物在颗粒堆电极内部扩散阻力较石墨颗粒小， 在特定的填充密度下，可以连续不断的处理污水并同时产电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型高效的连续处理污水产电的碳纳米管载体 型微生物电化学装置及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种连续处理污水的碳纳米管载体型微生物电化学装置，包括阳极室1和 阴极室8，该阳极室1内部均匀填充、固定有碳纳米管，中心处设有钛丝2;将 阳极室1和阴极室8用硅胶垫10密封;阳极室1顶部设有阳极室出水口11，阳 极室出水口11外接三相分离器23。
其中：
上述碳纳米管在阳极室1内的填充密度为0.13-0.19g/ml。
上述碳纳米管具有特定的空隙结构、极高的机械强度和韧性、很大的比表 面积、很高的热稳定性和化学惰性、极强的导电性以及独特的一维纳米尺度， 直径为2-30nm。
进一步优选的碳纳米管的纯度大于99.5%，比表面积≥200m2/g，振实密度 为0.25±0.05g/cm3，平均直径为11nm。
上述阳极室1内接种有机污水和厌氧消化污泥，其中，有机污水作为电解 液，厌氧消化污泥提供产电微生物。一般情况下，接种上述有机污水和厌氧消 化污泥直至将阳极室1充满，其中有机污水和厌氧消化污泥的体积比为1:1。
上述微生物电化学装置还包括分隔膜6，其将阳极室1与阴极室8分开，阳 极室1与阴极室8的体积比为1:1。
上述阴极室8内设有阴极16，分隔膜6与阴极16的距离为1-4厘米。
上述分隔膜6的两侧设有玻璃隔板3，用于支撑分隔膜6形成三明治结构并 避免其过度弯曲。
上述分隔膜6为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜。
上述阴极室8内的电解液为经曝气处理的磷酸盐缓冲液。本文中的术语“曝 气”，是指向水中充气或机械搅动等方法增加水与空气接触面积，其作用是向水 中内充氧。本发明中通过对阴极液进行曝气处理，提供了反应所需要的氧气， 使其可以与氢离子及电子结合生成水。
上述阳极室1内或还设有除碳纳米管外的其他电极材料，其他电极材料与 碳纳米管的体积比为1:2-1:2.5。其他碳基电极材料包括但并不限于碳布、石墨 毡、碳纤维毡、石墨刷。
上述连续处理污水的碳纳米管载体型微生物电化学装置的使用方法，具体 实现方式如下：
将有机污水连续注入所述微生物电化学装置中，控制污水的有机负荷率为 0.2g COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)·l-1·d-1-4g COD·l-1·d-1;阳 极室中的产电微生物分解进入阳极室1内的有机污水，反应产生的电子通过钛 丝2和外电路的导线到达阴极16，产生的氢离子通过分隔膜6到达阴极室8， 与阴极室8内电解液中的氧气及电子结合生成水。
在连续的污水处理产电的过程中，产电微生物附着于碳纳米管上形成微生 物膜，附有微生物膜的碳纳米管填充在阳极室内形成稳定的床体。
上述微生物燃料中的反应温度可以根据不同的产电微生物确定，负载电压 也根据外接负载电阻、阳极室内电极材料的填充率等参数自由设定。
本文中的术语“COD”，是指在一定的条件下，水样中的有机物质经过微生 物或强氧化剂的作用被氧化所需要消耗的氧量(水中的溶解氧或外加强氧化剂 的化合氧)，根据所消耗的氧量可以间接表示水样中有机物质含量的多少。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明直接碳纳米管作为阳极材料和填充床，同现有技术中通过压缩 或者其与其他材料复合作为电极材料或者电极修饰材料相比，操作更加简单， 最大限度的利用了碳纳米管的优势，同时使其形成填充床体，采用连续式而非 传统的批式处理形式，可以持续高效地处理污水，污水COD去除率可达90%左 右，阳极室出水口增加三相分离器利于解决由于碳颗粒材料流出造成堵塞、维 护难的问题。
(2)联合微生物燃料电池、填充床反应器和优越的碳纳米材料，实现高效 处理有机污水同时产电;
(3)微生物附着量大，但是微生物不容易脱落，污水处理效率高;
(4)通过简易改装，该装置即可用于产氢