專利名稱：空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾，回收能源的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)每年餐廚垃圾的產(chǎn)量超過(guò)6000萬(wàn)噸，北京、上海等城市日產(chǎn)食物垃圾超過(guò)1000噸。目前，食物垃圾主要是送至垃圾填埋場(chǎng)處理，然而垃圾填埋場(chǎng)處理占地面積較大，處理效果差，且填埋場(chǎng)容易產(chǎn)生高濃度的滲濾液污染土壤與水體，造成嚴(yán)重的二次污染。另夕卜，填埋場(chǎng)極易產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等溫室氣體，影響全球氣候環(huán)境。此外，處理過(guò)程中產(chǎn)生的惡臭，又會(huì)影響人們的生活環(huán)境。傳統(tǒng)的垃圾填埋場(chǎng)處理，成本高，效果較差，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年在處理食物垃圾上投資超過(guò)250億美元，同樣，在我國(guó)也存在著食物垃圾難處理，處理成本高等問(wèn)題。由于餐廚垃圾具有可生化降解程度高、產(chǎn)量大等特點(diǎn)，是一種極具開發(fā)潛力的新能源。當(dāng)今人類面臨著能源日益短缺、能源價(jià)格增高、能源利用效率較低、能源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)的矛盾突出等諸多問(wèn)題。故亟需尋找一種經(jīng)濟(jì)高效處理餐廚垃圾，同時(shí)可以有效回收其中潛在能源的新方法。近年來(lái)，微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)的興起，已有研究以葡萄糖、乙酸、生活污水、污泥等為底物的MFC反應(yīng)器可在處理底物的同時(shí)產(chǎn)生較穩(wěn)定的電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有餐廚垃圾的處理方法能源利用率低，易引發(fā)二次污染的問(wèn)題，而提供空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法。本發(fā)明空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):一、將碳粉與體積濃度為35% 45%的PTFE (聚四氟乙烯)震蕩混勻，涂抹于碳布一側(cè)，在室溫下干燥10 15min后置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min,得到處理后的碳布；二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側(cè)再涂抹上體積濃度為55% 65%的PTFE，室溫下冷卻10 15min后再置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min ；三、重復(fù)步驟二的過(guò)程3 5次，得到碳布陰極，然后在碳布陰極上涂抹鉬碳催化齊U，得到載鉬的碳布陰極；四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍，碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布，形成長(zhǎng)徑比為(I 1.5):1的圓柱形碳刷陽(yáng)極；五、把步驟四得到的碳刷陽(yáng)極固定到電池反應(yīng)器一側(cè)，捆扎有碳纖維的碳刷陽(yáng)極作為主體部分位于電池反應(yīng)器中部，在電池反應(yīng)器另一側(cè)固定步驟三得到的載鉬的碳布陰極，載鉬側(cè)對(duì)電池反應(yīng)器內(nèi)，非載鉬側(cè)對(duì)大氣，形成空氣陰極，碳刷陽(yáng)極的前端距離碳布陰極0.8 1.5cm，然后用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500 2000Q電阻和空氣陰極連接，再用防水膠將電池反應(yīng)器密封，完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器的組裝；六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液，使用攪碎機(jī)將食物滲濾液中的有機(jī)顆粒物絞碎，去除食物滲濾液表面上的浮油，然后保存在-4°C的冰箱內(nèi)待用，得到預(yù)處理后的食物滲濾液；七、按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為10 13g/L的Na2HPO4 *12H20，2.5 3.5g/L 的 NaH2PO4 *2H20,0.2 0.4g/L 的 NH4Cl 和 0.1 0.2g/L 的 KCl，配制 PBS 緩沖液，用 PBS緩沖液稀釋預(yù)處理后的食物滲濾液10 20倍，得到稀釋的食物滲濾液；八、用lmol/L HCl和lmol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)稀釋的食物滲濾液的pH至中性，得到反應(yīng)器進(jìn)水；九、在室溫下，反應(yīng)器進(jìn)水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器，控制進(jìn)水COD為2500 4500mg/L，監(jiān)測(cè)電阻兩端的電壓降至40 70mV時(shí)，重新注入反應(yīng)器進(jìn)水，完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾；其中步驟三中的鉬碳催化劑是由鉬碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。本發(fā)明在進(jìn)水COD負(fù)荷為3200±400mg/L的情況下，微生物燃料電池產(chǎn)電最高電壓達(dá)到332mV，平均穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)間為23h，功率密度達(dá)18W/m3，產(chǎn)電效果穩(wěn)定良好。同時(shí)利用本發(fā)明的空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器處理餐廚垃圾的效率良好，COD去除率達(dá)86.4% ；糖、蛋白質(zhì)及總氮的去除率分別為95.9%,67.1%和16.1%，去除率較高，反應(yīng)器的出水可直接排放至生活污水管道，與普通生活污水一并處理，處理成本低，同時(shí)可以使用微生物燃料電池反應(yīng)器的外電路回收電能，經(jīng)濟(jì)效率高。本發(fā)明主要應(yīng)用于餐廚垃圾的處理利用。


圖1是單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，I一反應(yīng)器外殼，2—空氣陰極，3—碳刷陽(yáng)極，4一鈦絲，5—反應(yīng)器進(jìn)水口，6—反應(yīng)器出水口，7—導(dǎo)線，8—電阻，
9一陰極連接導(dǎo)線。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:結(jié)合附圖1對(duì)具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明:本實(shí)施方式空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實(shí)施:一、將碳粉與體積濃度為35% 45%的PTFE (聚四氟乙烯)震蕩混勻，涂抹于碳布一側(cè)，在室溫下干燥10 15min后置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min,得到處理后的碳布；二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側(cè)再涂抹上體積濃度為55% 65%的PTFE，室溫下冷卻10 15min后再置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min ；三、重復(fù)步驟二的過(guò)程3 5次，得到碳布陰極，然后在碳布陰極上涂抹鉬碳催化齊U，得到載鉬的碳布陰極；四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍，碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布，形成長(zhǎng)徑比為(I 1.5):1的圓柱形碳刷陽(yáng)極；
五、把步驟四得到的碳刷陽(yáng)極固定到電池反應(yīng)器一側(cè)，捆扎有碳纖維的碳刷陽(yáng)極作為主體部分位于電池反應(yīng)器中部，在電池反應(yīng)器另一側(cè)固定步驟三得到的載鉬的碳布陰極，載鉬側(cè)對(duì)電池反應(yīng)器內(nèi)，非載鉬側(cè)對(duì)大氣，形成空氣陰極，碳刷陽(yáng)極的前端距離碳布陰極0.8 1.5cm，然后用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500 2000 Q電阻和空氣陰極連接，再用防水膠將電池反應(yīng)器密封，完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器的組裝；六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液，使用攪碎機(jī)將食物滲濾液中的有機(jī)顆粒物絞碎，去除食物滲濾液表面上的浮油，然后保存在_4°C的冰箱內(nèi)待用，得到預(yù)處理后的食物滲濾液；七、按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為10 13g/L的Na2HPO4 *121120，2.5 3.5g/L 的 NaH2PO4 *2H20,0.2 0.4g/L 的 NH4Cl 和 0.1 0.2g/L 的 KCl，配制 PBS 緩沖液，用 PBS緩沖液稀釋預(yù)處理后的食物滲濾液10 20倍，得到稀釋的食物滲濾液；八、用lmol/L HCl和lmol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)稀釋的食物滲濾液的pH至中性，得到反應(yīng)器進(jìn)水；九、在室溫下，反應(yīng)器進(jìn)水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器，控制進(jìn)水COD為2500 4500mg/L，監(jiān)測(cè)電阻兩端的電壓降至40 70mV時(shí)，重新注入反應(yīng)器進(jìn)水，完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾；其中步驟三中的鉬碳催化劑是由鉬碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。本實(shí)施方式空氣陰極微生物燃料電池(MFC)由陽(yáng)極、陰極及外電路組成，陰極使用金屬鉬作為催化劑來(lái)降低陰極反應(yīng)的過(guò)電位損失。反應(yīng)器陽(yáng)極附近的產(chǎn)電微生物，以反應(yīng)器的有機(jī)底物為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在微生物的新陳代謝過(guò)程中，分解利用底物，產(chǎn)生質(zhì)子與電子，質(zhì)子由反應(yīng)器內(nèi)部 運(yùn)動(dòng)至空氣陰極，電子則通過(guò)外電路運(yùn)動(dòng)至陰極。在空氣陰極，質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水，從而完成了底物的分解，且隨著電子通過(guò)外電路的過(guò)程產(chǎn)生電能，并通過(guò)將食物滲濾液保存在_4°C的冰箱，起到防止食物滲濾液自發(fā)厭氧發(fā)酵變質(zhì)的目的。因而，空氣陰極微生物燃料電池(MFC )可在厭氧條件下，借助發(fā)酵微生物對(duì)復(fù)雜底物的降解作用和產(chǎn)電微生物對(duì)簡(jiǎn)單有機(jī)物分解作用對(duì)食物滲濾液進(jìn)行降解，回收其中的電能。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟三中每6cm2碳布陰極上涂抹的鉬碳催化劑中的原料用量為15mg的鉬碳粉末，12.48 u L的去離子水，100 y L的Nafion和50ii L的異丙醇。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟四圓柱形碳刷陽(yáng)極橫截面的直徑為2.5cm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟五電池反應(yīng)器的有效容積為20 40ml。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟五用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500 Q電阻和空氣陰極連接。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟六有機(jī)顆粒物絞碎至顆粒物直徑為0.5 1_。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟七按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為 11.55g/L 的 Na2HPO4 12H20，2.77g/L 的 NaH2PO4 2H20，0.31g/L的NH4Cl，0.13g/L的KCl，配制PBS緩沖液。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。實(shí)施例一:本實(shí)施例空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實(shí)施:一、將碳粉與體積濃度為40%的PTFE (聚四氟乙烯)震蕩混勻，涂抹于碳布一側(cè)，在室溫下干燥IOmin后置于馬弗爐內(nèi)，在370°C下加熱處理20min，取出在室溫下冷卻lOmin，得到處理后的碳布；二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側(cè)再涂抹上體積濃度為60%的PTFE，室溫下冷卻IOmin后再置于馬弗爐內(nèi)，在370°C下加熱處理20min，取出在室溫下冷卻IOmin ；三、重復(fù)步驟二的過(guò)程3次，得到碳布陰極，然后在碳布陰極上涂抹鉬碳催化劑，得到載鉬的碳布陰極；四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍，碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布，形成長(zhǎng)為
2.5cm,橫截面直徑為2.5cm的圓柱形碳刷陽(yáng)極；五、把步驟四得到的碳刷陽(yáng)極固定到有效容積為28ml的電池反應(yīng)器一側(cè)，捆扎有碳纖維的碳刷陽(yáng)極作為主體部分位于電池反應(yīng)器中部，在電池反應(yīng)器另一側(cè)固定步驟三得到的載鉬的碳布陰極，載鉬側(cè)對(duì)電池反應(yīng)器內(nèi)，非載鉬側(cè)對(duì)大氣，形成空氣陰極，碳刷陽(yáng)極的前端距離碳布陰極1cm，然后用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500Q電阻和空氣陰極連接，再用防水膠將電池反應(yīng)器密封，完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器的組裝；六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液，使用攪碎機(jī)將食物滲濾液中的有機(jī)顆粒物絞碎，去除食物滲濾液表 面上的浮油，然后保存在_4°C的冰箱內(nèi)待用，得到預(yù)處理后的食物滲濾液；七、按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為11.55g/L的Na2HPO4 12H20，2.77g/L的NaH2PO4 2H20，0.31g/L的NH4Cl和0.13g/L的KC1，配制PBS緩沖液，用PBS緩沖液稀釋預(yù)處理后的食物滲濾液15倍，得到稀釋的食物滲濾液；八、用lmol/L HCl和lmol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)稀釋的食物滲濾液的pH至中性，得到反應(yīng)器進(jìn)水；九、在室溫下，反應(yīng)器進(jìn)水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器，控制進(jìn)水COD為3200mg/L，監(jiān)測(cè)電阻兩端的電壓降至65mV時(shí)，重新注入反應(yīng)器進(jìn)水，完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾；其中步驟三中每6cm2碳布鉬碳催化劑中原料的含量為15mg鉬碳粉末，12.48 U L去離子水，100 u LNafion和50 u L異丙醇。本實(shí)施例以外電路中電阻兩側(cè)功率輸出表征產(chǎn)電效能。在進(jìn)水COD負(fù)荷為3200mg/L的情況下，微生物燃料電池產(chǎn)電最高電壓達(dá)到332mV，平均穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)間為23h，功率密度達(dá)18W/m3，產(chǎn)電效果穩(wěn)定良好。同時(shí)利用空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器處理餐廚垃圾的效率良好，COD去除率達(dá)86.4% ;糖、蛋白質(zhì)及總氮的去除率分別為95.9%,67.1%和16.1%，去除率較高，反應(yīng)器的出水可直接排放至生活污水管道，與普通生活污水一并處理，處理成本低。
權(quán)利要求
1.空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實(shí)現(xiàn): 一、將碳粉與體積濃度為35% 45%的PTFE震蕩混勻,涂抹于碳布一側(cè),在室溫下干燥10 15min后置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min,得到處理后的碳布； 二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側(cè)再涂抹上體積濃度為55% 65%的PTFE，室溫下冷卻10 15min后再置于馬弗爐內(nèi)，在350 400°C下加熱處理15 30min，取出在室溫下冷卻10 15min ； 三、重復(fù)步驟二的過(guò)程3 5次，得到碳布陰極，然后在碳布陰極上涂抹鉬碳催化劑，得到載鉬的碳布陰極； 四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍，碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布，形成長(zhǎng)徑比為(I 1.5):1的圓柱形碳刷陽(yáng)極； 五、把步驟四得到的碳刷陽(yáng)極固定到電池反應(yīng)器一側(cè)，捆扎有碳纖維的碳刷陽(yáng)極作為主體部分位于電池反應(yīng)器中部，在電池反應(yīng)器另一側(cè)固定步驟三得到的載鉬的碳布陰極，載鉬側(cè)對(duì)電池反應(yīng)器內(nèi)，非載鉬側(cè)對(duì)大氣，形成空氣陰極，碳刷陽(yáng)極的前端距離碳布陰極0.8 1.5cm，然后用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500 2000 Ω電阻和空氣陰極連接，再用防水膠將電池反應(yīng)器密封，完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器的組裝； 六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液，使用攪碎機(jī)將食物滲濾液中的有機(jī)顆粒物絞碎，去除食物滲濾液表面上的浮油，然后保存在_4°C的冰箱內(nèi)待用，得到預(yù)處理后的食物滲濾液； 七、按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為10 13g/L的Na2HPO4.12Η20，2.5 3.5g/L的NaH2PO4.2H20，0.2 0. 4g/L 的 NH4Cl 和 0.1 0.2g/L 的 KCl，配制 PBS 緩沖液，用 PBS 緩沖液稀釋預(yù)處理后的食物滲濾液10 20倍，得到稀釋的食物滲濾液； 八、用lmol/LHCl和lmol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)稀釋的食物滲濾液的pH至中性，得到反應(yīng)器進(jìn)水； 九、在室溫下，反應(yīng)器進(jìn)水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應(yīng)器，控制進(jìn)水COD為2500 4500mg/L，監(jiān)測(cè)電阻兩端的電壓降至40 70mV時(shí)，重新注入反應(yīng)器進(jìn)水，完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾； 其中步驟三中的鉬碳催化劑是由鉬碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟三中每6cm2碳布陰極上涂抹的鉬碳催化劑中的原料用量為15mg的鉬碳粉末，12.48 μ L的去離子水，100 μ L的Nafion和50 μ L的異丙醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟四圓柱形碳刷陽(yáng)極橫截面的直徑為2.5cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟五電池反應(yīng)器的有效容積為20 40ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟五用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、500 Ω電阻和空氣陰極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟六有機(jī)顆粒物絞碎至顆粒物直徑為0.5 1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，其特征在于步驟七按每升去離子水中加入質(zhì)量濃度為11.55g/L的Na2HPO4.12Η20，2.77g/L的NaH2PO4.2Η20，0.3 1g/L 的 NH4Cl, 0.13g/L 的 KC1，配制 PBS 緩沖液。
全文摘要
空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法，它涉及一種利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾，回收能源的方法。它要解決現(xiàn)有餐廚垃圾的處理方法能源利用率低，易引發(fā)二次污染的問(wèn)題。方法一、碳粉與PTFE混勻，涂抹于碳布上，在馬弗爐內(nèi)加熱；二、再涂上高濃度PTFE加熱；三、再涂抹鉑碳催化劑，得到載鉑的碳布陰極；四、制備碳刷陽(yáng)極；五、用導(dǎo)線將碳刷陽(yáng)極、電阻和空氣陰極連接，組裝電池反應(yīng)器；六、預(yù)處理食物滲濾液；七、配制PBS緩沖液，稀釋滲濾液；八、滲濾液調(diào)至中性；九、反應(yīng)器進(jìn)水注入反應(yīng)器，處理餐廚垃圾回收電能。利用本發(fā)明處理餐廚垃圾效率良好，COD去除率達(dá)86.4%。主要應(yīng)用于餐廚垃圾的處理利用。
文檔編號(hào)H01M8/16GK103165931SQ20131006376
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者邢德峰, 唐宇, 賈建娜, 吳迪 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)