申请日2012.02.23
公开(公告)日2012.07.18
IPC分类号H01M4/88; H01M8/16; C02F103/30; C02F101/38; C02F3/34
摘要
本发明公开一种加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法，先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，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-2,6-二磺酸钠阴、阳极，再将该阴、阳极插入阴、阳极室中并接入外电路，阳极室中的被氧化的底物产生电子、质子，电子传递至阳极表面，经由外电路到达阴极，质子经质子交换膜扩散至阴极室，阴极室中偶氮染料、质子和经外电路到达阴极的电子在阴极表面发生还原半反应，偶氮染料被还原脱色;阳极电子传递的速率增加，显著提高偶氮染料废水还原脱色的速率，无需额外输入电能，无二次污染。
权利要求书
1.一种加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法，微生物燃料电池的阳极室(3)中是在微生物作用下被氧化的底物，阴极室(4)中是偶氮染料废水，其特征是具有如下步骤：
1)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100 mL浓度为0.029 mol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠和20mL浓度为0.12 mol/L的聚吡咯的均匀混合液，在电流密度为1.83～1.86 mA/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(5)和碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6);
2)将碳毡/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)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(7)相隔的阳极室(3)和阴极室(4)中，并将碳毡/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)接入外电路;
3)阳极室(3)中的被氧化的底物产生电子、质子，电子传递至碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阳极(5)表面，经由外电路到达碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)，质子经质子交换膜(7)扩散至阴极室(4)，阴极室(4)中的偶氮染料、质子和经外电路到达碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)的电子在碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极(6)表面发生还原半反应，使偶氮染料被还原脱色。
说明书
加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法
技术领域
本发明涉及一种加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法，属于环境保护中污水处理技术领域。
背景技术
偶氮染料是人工合成的偶氮化合物，其分子主要特征是含有一个或多个偶氮键(—N=N—)。偶氮染料废水主要来源于染料生产和印染过程，具有抗酸、抗碱、抗微生物、长滞留期等特性，其前体及其降解产物的 “三致”( 致癌、致畸、致突变)作用对环境危害很大。在国内外偶氮染料废水处理技术领域中，利用微生物燃料电池(MFC) 阴极还原处理技术具有处理效率较高、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，偶氮染料本身具有较高的氧化还原电位，不能在阳极氧化的条件下被有效降解。
为解决上述问题，Yang Mu(Environ.Sci. Technol.2009, 43, 5137 – 5143)等提出在微生物燃料电池不添加电子介体的情况下外接电源参与阴极还原反应以降解偶氮染料，但其缺陷是需要额外输入电能。M.C.Costa(Bioresource Technology 101. 2010，105–110)等提出微生物燃料电池在厌氧条件下添加催化剂蒽醌-2,6-二磺酸钠(AQDS)降解偶氮染料，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。Rong-Hua Liu{ Appl Microbiol Biotechnol, 18 September 2010}等提出在微生物燃料电池的阴极表面电镀蒽醌-2,6-二磺酸钠薄层，但其缺陷是对甲基橙(MO)降解速率较慢。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法，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阴极偶氮染料废水还原脱色的速率。
本发明采用的技术方案是：微生物燃料电池的阳极室中是在微生物作用下被氧化的底物，阴极室中是偶氮染料废水，先采用三电极隔膜式H型电解槽，将碳毡作为工作电极，在工作电极室内加入100 mL浓度为0.029 mol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠和20mL浓度为0.12 mol/L的聚吡咯的均匀混合液，在电流密度为1.83～1.86 mA/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-2,6-二磺酸钠阴极;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底物产生电子、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，阴极室中的偶氮染料、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发生还原半反应，使偶氮染料被还原脱色。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、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阴极偶氮染料废水还原脱色的速率，能快速高效地处理偶氮染料废水。
2、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。
3、本发明不会造成二次污染。阴极偶氮染料发生了四电子的还原反应，偶氮键断裂生成胺类物质，反应方程式为： 。胺类物质在实际生活中有很多应用，如甲基橙的还原产物N,N-二甲基-对苯二胺应用于H2S的去除。
4、本发明对甲基橙等污染物的降解速率较快。阴极还原反应用于去除本身具有较高氧化还原电位的难降解偶氮染料污染物，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，加快了阴极表面发生还原半反应，提高了对甲基橙等污染物的降解速率。