一種微生物電容脫鹽燃料電池技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及污水生物處理、微生物發(fā)電、電容去離子脫鹽技術(shù)領(lǐng)域，是一種綠色節(jié)能的環(huán)境保護(hù)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]采用安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的方法制取清潔的水是人類社會(huì)面臨的一項(xiàng)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，脫鹽是將苦咸水、海水或污水轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惪墒褂玫乃年P(guān)鍵技術(shù)。目前得到大規(guī)模應(yīng)用的脫鹽方法主要有反滲透、蒸餾、電滲析和離子交換。這些方法普遍存在著能耗高、產(chǎn)水量低、維護(hù)繁瑣、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。
[0003]電容去離子脫鹽是近年來發(fā)展起來的一種新型水處理方法，是通過對(duì)具有大的比表面積和大的比容量的一對(duì)電極(常采用多孔碳材料，如炭氣凝膠、活性炭、碳纖維、碳納米管等)施加低壓直流電場(chǎng)，當(dāng)水在電極之間流過時(shí)，水中帶電離子在電場(chǎng)的作用下向帶相反電荷的電極移動(dòng)并吸附在電極上，從而達(dá)到脫鹽的效果。當(dāng)電極的吸附容量達(dá)到飽和時(shí)，讓電極短路或者施加反向電場(chǎng)，被吸附的離子重新回到水中形成濃水排走，同時(shí)電極得到再生。相對(duì)于其它的脫鹽方法，電容去離子具有能耗低、無需消耗化學(xué)藥劑、無二次污染、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，有望在苦咸水處理、海水淡化、中水回用、飲用水深度凈化、重金屬回收等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0004]向電容去離子脫鹽設(shè)備提供直流電力的方法可以有多種?？梢允褂脤?20V的市電調(diào)整電壓并變換成直流后供電，也可以使用電池、蓄電池供電。在室外也可以采用太陽能、風(fēng)力、熱電聯(lián)產(chǎn)等方式供電。由于電容去離子脫鹽設(shè)備中使用的電極作為電容器本身具有蓄電能力，也可以將多個(gè)電容器連接，相互將積蓄的電力交互作為電源使用。電容去離子對(duì)直流電源的電壓沒有特別的限定，由于水的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是1.23V，為防止水解，一般利用不超過1.2V的低電壓便可運(yùn)行。
[0005]微生物燃料電池，作為一種新興的環(huán)保技術(shù)，可在處理污水的同時(shí)也產(chǎn)生電能，其開路電壓可以滿足電容去離子對(duì)電壓的要求。因此，將微生物燃料電池和電容去離子無縫組合，使其兼具降解有機(jī)物、產(chǎn)電、脫鹽三種功能，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的雙室微生物燃料電池的原理如圖1所示。它以附著于陽極的微生物作為催化劑，降級(jí)有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子。產(chǎn)生的電子傳遞到陽極，經(jīng)外電路到達(dá)陰極，由此產(chǎn)生外電流。產(chǎn)生的質(zhì)子或通過分隔材料(膜或者鹽橋)或直接通過電解液到達(dá)陰極，在陰極與電子、氧化物(如氧氣等)發(fā)生還原反應(yīng)，從而完成電池內(nèi)部電荷的傳遞。
[0007]雙室微生物燃料電池沒有脫鹽的功能，一種三室微生物脫鹽燃料電池在其基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。其原理如圖2所示:在微生物燃料電池中的陽極和陰極之間依次加入陰離子交換膜和陽離子交換膜形成一個(gè)中間脫鹽室，利用電池內(nèi)部?jī)蛇呹庩枠O的電勢(shì)差完成中間室的脫鹽。但是這個(gè)過程是不可逆且不可持續(xù)的，陽極室和陰極室的電解液的鹽份會(huì)升高，影響出水的后續(xù)利用。另一方面，質(zhì)子在陽極室累積從而導(dǎo)致PH下降，危害了產(chǎn)電菌的活性，而陰極室的PH也會(huì)升高，這種不平衡影響了進(jìn)一步的產(chǎn)能和脫鹽效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出了一種新的將微生物燃料電池和電容式去離子脫鹽相耦合的方法，利用微生物燃料電池產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電容去離子脫鹽，并克服了現(xiàn)有微生物脫鹽燃料電池的上述兩種問題，使整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。
[0009]這種微生物電容脫鹽燃料電池的原理為:它由一個(gè)微生物燃料電池和一個(gè)電容去離子單元組成(如圖3所示)，包括產(chǎn)電微生物、陽極、一張陽離子交換膜、活性炭布與導(dǎo)電金屬網(wǎng)組成的電容電極、另一張陽離子交換膜、空氣陰極。該裝置被分隔為三室，依次為陽極室、脫鹽室和陰極室。陽極室和陰極室的陽陰兩極分別與脫鹽室中與之相鄰的活性炭布電容電極連接，電子通過外電路傳遞到活性炭布電容電極，使電容電極具有與陰陽極相同的電勢(shì)，進(jìn)而在活性炭布表面與溶液間形成雙電層，離子富集在電極表面而使脫鹽室溶液中的離子濃度降低。
[0010]這種微生物電容脫鹽燃料電池的特征在于:采用在微生物脫鹽燃料電池中加入兩張陽離子交換膜代替現(xiàn)有技術(shù)的一張陰離子交換膜和一張陽離子交換膜相結(jié)合的方法，并將以活性炭布作為電極的電容去離子單元耦合進(jìn)來分隔陽極室和陰極室，使得質(zhì)子可以透過陽離子交換膜和活性炭布在陽極室、脫鹽室、陰極室三室間自由轉(zhuǎn)移，達(dá)到穩(wěn)定各室PH的效果，這使得陽極室產(chǎn)電菌的活性得以保持，產(chǎn)電能力和脫鹽效率得到提高，整個(gè)過程可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0011]這種微生物電容脫鹽燃料電池的脫鹽過程如圖4所示:陽極室處理有機(jī)污水，陽極上的產(chǎn)電菌通過氧化污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電流和質(zhì)子，電流通過外電路傳到脫鹽室的活性炭布電容電極，質(zhì)子不會(huì)累積而導(dǎo)致陽極室pH降低，而是穿過兩張陽離子交換膜到達(dá)陰極室，完成電池內(nèi)部的電荷傳遞。脫鹽室和陰極室可處理含鹽水。由于活性炭布電容電極具有與陰陽極相同的電勢(shì)，脫鹽室中的陰離子被靠近陽極室的活性炭布電極吸附，陽離子被靠近陰極室的活性炭布電極吸附，使出水達(dá)到脫鹽效果。陰極室中的陰離子雖然不能透過陽離子交換膜而被脫鹽室的活性炭布電極吸附，里面的陽離子卻可以，因此陰極室也有一定的脫鹽效果，這時(shí)，從陽極室過來的質(zhì)子起到穩(wěn)定陰極室PH的作用，使得陰極室的OH—不會(huì)累積而導(dǎo)致pH升高。除此之外，運(yùn)用此方法還可使脫鹽室對(duì)有機(jī)物也有一定去除的效果，這是通過活性炭布對(duì)帶電有機(jī)粒子的吸附而實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)有技術(shù)的微生物脫鹽燃料電池并不能做到這一點(diǎn)。
[0012]這種微生物電容脫鹽燃料電池的電極再生過程如圖5所示:在電容吸附飽和后，斷開電容與陰陽極的連接，用外導(dǎo)線連接兩電容電極使其短路，在短路的情況下，活性炭布失去極性，吸附于雙電層上的離子從碳布上解吸，帶有相反電荷的離子互相吸引并向溶液中轉(zhuǎn)移。另一種方法是交換電容電極與陰陽極的連接，在活性炭布電極間加以與脫鹽階段相反的電勢(shì)(其控制電路如圖6所示，如果開關(guān)Kl和K2在脫鹽狀態(tài)同時(shí)位于向下的位置，則轉(zhuǎn)至解吸狀態(tài)時(shí)將兩者同時(shí)撥至向上的位置)，吸附于電容上的離子在同性相斥的作用下解吸.用清洗水沖洗脫鹽室以去除物理吸附的離子而形成濃水。
[0013]一般的陽離子交換膜除了能透過質(zhì)子外，還能透過其他的很多鹽離子(如Na+、K+、NH4+、Ca2+等)，而在陽極室一側(cè)使用陽離子交換膜替換現(xiàn)有技術(shù)的陰離子交換膜的原因主要是為了使質(zhì)子能夠在三室間自由流動(dòng)，因此，也可以使用質(zhì)子交換膜來替換現(xiàn)有技術(shù)的陰離子交換膜來達(dá)到同樣的質(zhì)子傳遞的目的。
[0014]另外，也可以采用在活性炭布電容電極表面噴涂陽離子交換膜的方法制成膜電極來達(dá)到同樣的質(zhì)子傳遞的目的。由于已成型的離子交換膜通過壓力作用覆蓋在電極表面會(huì)使離子的透過性變差，并會(huì)提高電極和膜的電阻。而噴涂法制成的一體化膜電極厚度薄、電阻小，在實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳遞的同時(shí)也可提高裝置的運(yùn)行效率。
【附圖說明】
[0015]圖1:現(xiàn)有技術(shù)的微生物燃料電池原理示意圖。
[0016]圖2:現(xiàn)有技術(shù)的微生物脫鹽燃料電池原理示意圖。
[0017]圖3:本發(fā)明中的微生物電容脫鹽燃料電池原理示意圖。
[0018]圖4:本發(fā)明中的微生物電容脫鹽燃料電池的脫鹽過程示意圖。
[0019]圖5:本發(fā)明中的微生物電容脫鹽燃料電池的電極再生過程示意圖。
[0020]圖6:本發(fā)明中的微生物電容脫鹽燃料電池的一種控制電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1:
采用如圖3所示的微生物電容脫鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)。脫鹽室由兩張陽離子交換膜和兩個(gè)活性炭布電極分隔出來?；钚蕴坎茧姌O由一層導(dǎo)電金屬網(wǎng)和活性炭布(FM10 ActivatedCarbon Cloth, Chemviron Carbon, UK)組成，這種活性炭布的厚度為0.5 mm，比表面積為1020 m2/g，極板間距為15 mm。作為電池陽極的碳刷上通過接種運(yùn)行的方式使之附著有活性和數(shù)量穩(wěn)定的產(chǎn)電微生物。空氣陰極與溶液接觸面載有鉑催化劑，另一側(cè)與空氣相通，涂有PTFE防水層。陽極室、脫鹽室和陰極室處理的廢水均由模擬成分構(gòu)成，pH值為7.0 土0.2，在經(jīng)過一輪運(yùn)行后，各室pH值的變化情況依次為-0.2,0.1,1.5。對(duì)照組采用的是現(xiàn)有技術(shù)的一張陰離子交換膜和一張陽離子交換膜分隔出脫鹽室的方法(其結(jié)構(gòu)如圖2所示)，其他條件不變，各室PH值的變化情況則此次是-0.5、0.1、4.5。結(jié)果表明，本發(fā)明所述的方法對(duì)于穩(wěn)定各室的PH值有較好的效果，有利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微生物電容脫鹽燃料電池技術(shù)，運(yùn)用兩張陽離子交換膜代替現(xiàn)有技術(shù)的采用一張陰離子交換膜和一張陽離子交換膜相結(jié)合的方法分隔陽極室和陰極室，使得質(zhì)子可以在陽極室、脫鹽室、陰極室三室間自由轉(zhuǎn)移，穩(wěn)定各室pH。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，運(yùn)用質(zhì)子交換膜達(dá)到同樣的質(zhì)子自由轉(zhuǎn)移的目的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，運(yùn)用在正負(fù)電容電極表面噴涂陽離子交換涂層的方法達(dá)到同樣的質(zhì)子自由轉(zhuǎn)移的目的。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微生物電容脫鹽燃料電池技術(shù)，利用微生物處理污水產(chǎn)生電能為電容去離子單元供電，涉及污水生物處理、微生物發(fā)電和電容去離子脫鹽技術(shù)領(lǐng)域。該脫鹽技術(shù)由一微生物燃料電池和一電容去離子單元組成。其特征在于：微生物燃料電池的陽極室和陰極室之間加入兩張陽離子交換膜和兩個(gè)活性炭布電極，形成脫鹽室?，F(xiàn)有技術(shù)問題在于：微生物氧化有機(jī)污染物釋放質(zhì)子，累積致陽極室pH下降，影響產(chǎn)能和脫鹽。本發(fā)明用兩張陽離子膜和活性炭布電極分割陽極室、脫鹽室和陰極室，使質(zhì)子可通過陽離子膜和活性炭布在三室間自由轉(zhuǎn)移，穩(wěn)定各室pH。本發(fā)明在于提供一種長(zhǎng)期運(yùn)行微生物電容脫鹽燃料電池的方法，保持產(chǎn)電菌活性，提高產(chǎn)電能力和脫鹽效率。
【IPC分類】C02F3-34, H01M8-16, H01M8-02
【公開號(hào)】CN104617322
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410824619
【發(fā)明人】黃寬, 余健, 唐浩
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué), 黃寬
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日