專利名稱：一種微生物燃料電池水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型水處理方法，尤其是可見光活性的Ti02光催化結(jié)合微生物燃料電池的難降解廢水處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
1972年Fujishima首次報道了寬禁帶半導(dǎo)體材料TiO2在光照下可發(fā)生電荷分離和氧化還原反應(yīng)。由于TiO2納米材料具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，催化性能高，對有機廢水降解的選擇性低等優(yōu)點，特別是經(jīng)過元素?fù)诫s的TiO2納米材料在可見光下具有很好的吸收， 因此對元素?fù)诫s的TiO2納米材料光催化氧化難降解有機廢水的研究和應(yīng)用受到普遍的關(guān)注。一般廢水的處理過程包括化學(xué)處理(臭氧氧化，超聲波氧化等)，物理吸附(活性炭吸附)，生物處理(厭氧，好氧處理)。其中臭氧氧化具有刺激氣味，有毒副產(chǎn)物多且運行成本高；超聲波氧化能量利用率低，能耗高；活性炭吸附對廢水處理不徹底；生物處理對廢水選擇性高。而TiO2光催化氧化技術(shù)具有運行條件溫和，操作簡單，對廢水選擇性低等優(yōu)點，因此其對難降解廢水的處理具有很好的應(yīng)用前景。微生物燃料電池是一種新型的產(chǎn)電水處理裝置，它依靠細(xì)菌分解有機質(zhì)而產(chǎn)電， 且人們已經(jīng)開始把微生物燃料電池技術(shù)示范應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域，但其對難降解廢水的處理仍然較為困難。而可見光活性的TiO2光催化結(jié)合微生物燃料電池的難降解廢水處理技術(shù)，利用了 TiO2光催化氧化技術(shù)把難降解廢水轉(zhuǎn)化為易生化廢水，并且對處理后的廢水可以直接有效地應(yīng)用于微生物燃料電池中產(chǎn)生電能，是一種操作簡單、運行方便、適應(yīng)性廣的新型水處理技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供一種廢水選擇性低，電池性能高，處理效果好的微生物燃料電池水處理方法。技術(shù)方案本發(fā)明的微生物燃料電池水處理方法，該方法包括以下步驟
1)將元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為1:1 15:1，超聲振蕩O. 5小時小時，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌I小時 2小時；
2)將步驟I)中光催化后的溶液過濾后，與易生化有機質(zhì)混合后作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中運行；所述易生化有機質(zhì)與光催化后溶液的有機質(zhì)的質(zhì)量比為2:1 10: I。本發(fā)明中的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑中，摻雜的元素為氟、 銀、氮中的一種或鐵-碳-氮-硫組合，所述摻雜的氟、銀、氮元素與鈦的質(zhì)量比為1:100 1:200，鐵-碳-氮-硫組合中各元素與鈦的質(zhì)量比分別為1:200，1: 4，1: 3，2: 3。本發(fā)明中的易生化有機質(zhì)為葡萄糖、生活廢水或食品廢水的一種或其組合。本發(fā)明中的偶氮型染料是偶氮基兩端連接芳基的一類有機化合物，廣泛應(yīng)用于印刷、紡織等行業(yè)中，是一種典型的環(huán)境污染物。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有優(yōu)點
本發(fā)明采用可見光催化，因此，可直接采用太陽光照射，避免了傳統(tǒng)紫外光下高耗能的模式，節(jié)約了處理成本。本發(fā)明廢水選擇性低，處理效果好未經(jīng)可見光催化的X-3B降解率為42 %，而經(jīng)可見光催化與微生物燃料電池聯(lián)合水處理的X-3B降解率達(dá)到63 %，與傳統(tǒng)生物處理方法相比，本方法有效提高了難降解廢水的處理效果，可拓寬有機廢水的利用范圍。本發(fā)明提高了微生物燃料電池的性能實驗中，未經(jīng)可見光催化的X-3B在電池中輸出功率密度為303. 8Imff/m2,而經(jīng)可見光催化的X-3B在電池中輸出功率密度為 391. 71mff/m2,電池輸出功率密度提高了 22. 44 %，本方法改善了廢水的生化性能，提高了電池的產(chǎn)電性能。此方法與傳統(tǒng)方法相比一方面可有效利用光催化處理后的有機廢水產(chǎn)電，且提高了微生物燃料電池的產(chǎn)電性能；另一方面提高了難降解廢水的降解率，拓寬了有機廢水的利用范圍。結(jié)合光催化處理的混合燃料技術(shù)提高微生物燃料電池的生物利用度和效率的方法，不僅可提高微生物燃料電池性能(功率密度、水處理效率)，而且可拓寬有機廢水的利用范圍。


圖I是本發(fā)明可見光催化下X-3B降解紫外可見吸收光譜。圖2是本發(fā)明未經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解紫外可見吸收光譜。圖3是本發(fā)明未經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解曲線。圖4是本發(fā)明經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解紫外可見吸收光譜。圖5是本發(fā)明經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解曲線。圖6是未經(jīng)可見光催化與經(jīng)可見光催化的X-3B在微生物燃料電池中的功率密度曲線。
具體實施例方式實施例I :將元素氟與鈦質(zhì)量之比為1:200的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2 光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，元素?fù)诫s的銳鈦礦型TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為15:1，超聲振蕩O. 5小時，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌2小時，并將光催化后的溶液經(jīng)循環(huán)式真空泵減壓過濾；然后按易生化有機質(zhì)與光催化后溶液中的有機質(zhì)質(zhì)量比為6:1的比例混合作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中，其中電池溫度控制在30°C 土1°C，電池陽極室密封且溶液PH值控制在7左右。實施例2 :將元素銀與鈦質(zhì)量之比1:100的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，元素?fù)诫s的銳鈦礦型TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為1:1，超聲振蕩I小時，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌I小時，并將光催化后的溶液經(jīng)微孔濾膜過濾；然后按易生化有機質(zhì)與光催化后溶液中的有機質(zhì)質(zhì)量比為2:1的比例混合作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中，其中電池溫度控制在30°C ±1°C，電池陽極室密封且溶液PH值控制在7 左右。實施例3 :將元素氮與鈦質(zhì)量之比1:150的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，元素?fù)诫s的銳鈦礦型TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為5:1，超聲振蕩40分鐘，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌I. 5小時，并將光催化后的溶液經(jīng)微孔濾膜過濾；然后按易生化有機質(zhì)與光催化后溶液中的有機質(zhì)質(zhì)量比為10:1的比例混合作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中，其中電池溫度控制在30°C ±1°C，電池陽極室密封且溶液PH值控制在7左右。實施例4 :將元素鐵-碳-氮-硫組合中各元素與鈦質(zhì)量之比分別為1:200，1:4， 1:3, 2:3的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，元素?fù)诫s的銳鈦礦型TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為10:1，超聲振蕩I小時，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌I. 5小時，并將光催化后的溶液經(jīng)微孔濾膜過濾；然后按易生化有機質(zhì)與光催化后溶液中的有機質(zhì)質(zhì)量比為10:1的比例混合作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中，其中電池溫度控制在30°C ± I°C，電池陽極室密封且溶液PH值控制在7左右。圖I顯示了光催化條件下X-3B的紫外可見吸收光譜。催化劑的濃度是I. 5g/L， X-3B的濃度是200mg/L，從圖可以看出X-3B經(jīng)過超聲吸附，光催化過程，其濃度明顯降低。圖2顯示了未經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解紫外可見光譜。 在以200mg/L X-3B與O. 4g/L葡萄糖為碳源，每12小時取一次樣，電池運行一個周期后， X-3B的紫外可見吸收光譜。圖3顯示了未經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，X-3B的紫外可見吸收光譜，計算出所取樣品的濃度，從圖可以看出，在電池運行一個周期內(nèi)，X-3B的降解率為42 %，且降解速率隨著電池運行時間不斷減慢。圖4顯示了經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解紫外可見光譜。以經(jīng)可見光催化下的X-3B與O. 4g/L葡萄糖為碳源，每12小時取一次樣，電池運行一個周期后，X-3B的紫外可見吸收光譜。圖5顯示了經(jīng)可見光催化下的X-3B在微生物燃料電池中的降解曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，X-3B的紫外可見吸收光譜，計算出所取樣品的濃度，從圖可以看出，經(jīng)過可見光催化與微生物燃料電池聯(lián)合水處理，X-3B的降解率達(dá)到63 %。圖6顯示了未經(jīng)可見光催化與經(jīng)可見光催化的X-3B在微生物燃料電池中的功率密度曲線。其中A是經(jīng)可見光催化的X-3B在微生物燃料電池中運行的功率密度；B是未經(jīng)可見光催化的X-3B在微生物燃料電池中運行的功率密度。從圖可以看出未經(jīng)可見光催化的X-3B在電池中功率密度為303. 8Imff/m2,而經(jīng)可見光催化的X_3B在電池中功率密度為 391. 71mW/m2，提高了 22. 44 %。
權(quán)利要求
1.一種微生物燃料電池水處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)將元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑加入到偶氮型染料溶液中，所述元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦TiO2光催化劑與偶氮型染料的質(zhì)量比為I: f 15:1，超聲振蕩O. 5 小時小時，達(dá)到吸附平衡，然后進(jìn)行光催化采用光源照射所述溶液同時進(jìn)行攪拌I小時 2小時；2)將步驟I)中光催化后的溶液過濾后，與易生化有機質(zhì)混合后作為微生物碳源添加到啟動完全的微生物燃料電池水處理裝置中運行；所述易生化有機質(zhì)與光催化后溶液的有機質(zhì)的質(zhì)量比為2:1 10: I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微生物燃料電池水處理方法，其特征在于，所述的元素?fù)诫s的銳鈦礦型二氧化鈦Tio2光催化劑中，摻雜的元素為氟、銀、氮中的一種或鐵-碳-氮-硫組合，所述摻雜的氟、銀、氮元素與鈦的質(zhì)量比為1:100 1:200，鐵-碳-氮-硫組合中各元素與鈦的質(zhì)量比分別為1:200，1:4，1:3，2:3。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微生物燃料電池水處理方法，其特征在于，所述的易生化有機質(zhì)為葡萄糖、生活廢水或食品廢水的一種或其組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物燃料電池水處理方法，對難降解廢水經(jīng)過可見光活性的TiO2在可見光或太陽光下催化后，再與易生化廢水混合共同作為微生物燃料電池的碳源，使難降解廢水的降解率得到提高；同時提供一種結(jié)合光催化處理的混合燃料技術(shù)提高微生物燃料電池的生物利用度和效率的方法不僅可提高微生物燃料電池的功率密度、水處理效率，而且可拓寬有機廢水的利用范圍。
文檔編號C02F1/48GK102603041SQ20121006959
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者付德剛, 凡現(xiàn)朋, 戎非, 林曉霞, 蘇林, 蔡小敏, 齊潔婷 申請人:東南大學(xué)