一種光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極微生物燃料電池及處理生活污水的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微生物燃料電池技術(shù)及光催化技術(shù)，具體涉及一種光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極微生物燃料電池及處理生活污水的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新興的廢水處理與能源回收技術(shù),微生物燃料電池(microbial fuelcell,簡(jiǎn)稱MFC)在能源緊缺、污染嚴(yán)重的今天具有獨(dú)特的意義。MFC即微生物降解或氧化有機(jī)物，產(chǎn)生電子并通過一組呼吸酶在細(xì)胞內(nèi)外傳遞，以ATP形式為細(xì)胞提供能量，電子進(jìn)而被釋放給最終電子受體(terminal electron acceptor,簡(jiǎn)稱TEA),終而形成回路產(chǎn)生電流。MFC由陽(yáng)極室、陰極室、交換膜以及外接回路組成，其中陽(yáng)極室作為電子輸出的源點(diǎn)，有機(jī)物降解途徑、電子傳遞速率等過程直接影響電能輸出的效率。
[0003]MFC陽(yáng)極改性是廣泛用于提升MFC性能的主要手段。例如，公開號(hào)為CN102306803A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種免疫修飾處理的微生物燃料電池陽(yáng)極，其特征在于所述微生物燃料電池陽(yáng)極通過以下方式進(jìn)行處理:先在微生物燃料電池陽(yáng)極表面上修飾化學(xué)分子基團(tuán)，然后通過化學(xué)分子基團(tuán)固定修飾有膠體金顆粒的抗產(chǎn)電微生物抗體形成免疫修飾處理的微生物燃料電池陽(yáng)極。
[0004]公開號(hào)為CN102751510A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種可以提高微生物燃料電池陽(yáng)極性能的改性方法，其具體步驟如下:一、把陽(yáng)極材料在聚四氟乙烯，簡(jiǎn)稱PTFE乳液中浸泡后烘干；二、重復(fù)步驟一的操作使陽(yáng)極材料上聚四氟乙烯負(fù)載量達(dá)到預(yù)設(shè)的質(zhì)量負(fù)載量；三、將步驟二所得的陽(yáng)極在空氣氣氛下進(jìn)行熱處理；四、將步驟三所得的陽(yáng)極在惰性氣氛下進(jìn)行熱處理，即得到表面粗糙且呈規(guī)則的孔紋結(jié)構(gòu)、比表面積變大、電子轉(zhuǎn)移能力更強(qiáng)的微生物燃料電池陽(yáng)極。該申請(qǐng)通過多次PTFE負(fù)載并在高溫環(huán)境多次煅燒獲得了比表面積較大及阻值較低的陽(yáng)極材料。
[0005]公開號(hào)為CN102918697A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種或多種離子交換材料或?qū)щ姴牧匣旌衔镒鳛殛?yáng)極或陰極，用以提高微生物燃料電池的性能。目前所有的電極改性手段均雷同與上述方法，以提高微生物負(fù)載量或降低電極阻值或提升電極與微生物間電子傳遞等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極微生物燃料電池及處理生活污水的方法，從主動(dòng)奪取微生物所產(chǎn)電子的方式對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行改性，從而獲取了高效率的微生物燃料電池，且由于改性物質(zhì)未接觸溶液，因此被腐蝕性極小，壽命長(zhǎng)，成本低廉。在運(yùn)行過程中僅通過太能光能做催化，無(wú)二次能源投入，無(wú)二次污染輸出。
[0007]—種光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極微生物燃料電池，包括由離子交換膜阻隔的陽(yáng)極室和陰極室，所述陽(yáng)極室和陰極室由導(dǎo)線外接蓄電池相連，所述陽(yáng)極室內(nèi)裝配光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極，所述陰極室盛裝陰極室溶液，所述光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極由石英玻璃層、光催化層、導(dǎo)電基底層和生物兼容層依次疊置組成，所述生物兼容層外覆蓋生物膜。
[0008]本發(fā)明利用太陽(yáng)光做催化劑，通過提升微生物燃料電池性能的方法，不僅能夠高效處理廢水，還可以產(chǎn)生大量的電能。
[0009]本發(fā)明的處理原理如下:
[0010]生活污水進(jìn)入陽(yáng)極室，在微生物作用下有機(jī)物被降解產(chǎn)生電子；復(fù)合陽(yáng)極光催化面在實(shí)驗(yàn)室模擬太陽(yáng)光照射下，分離成電子和空穴，電子經(jīng)過外電路回流到陰極，光催化面剩余大量空穴，空穴通過陽(yáng)極基底從覆蓋生物膜的生物兼容層奪取電子，但是在光作用下再次分離并導(dǎo)入到陰極，如此循環(huán)形成了一個(gè)電極主動(dòng)奪取電子的過程提高產(chǎn)能，在MFC外接電路中連接蓄電池用以收集電能。
[0011]作為優(yōu)選，所述光催化層的材料為禁帶寬度為0-2.SeV的光催化材料；進(jìn)一步優(yōu)選，所述光催化材料為a-Fe2O3。
[0012]禁帶寬度過大會(huì)導(dǎo)致電子空穴難以在可見光下分離，若采用高能的紫外光則會(huì)對(duì)微生物體系產(chǎn)生一定的影響并且耗能極高。所述的導(dǎo)電基底層選用導(dǎo)電性良好的可塑性不透水材料，作為優(yōu)選，所述導(dǎo)電基底層為碳系板、不銹鋼板或鈦板。所述碳系板進(jìn)一步優(yōu)選為石墨板。
[0013]所述的生物兼容層選用比表面積大、導(dǎo)電性好以及生物兼容性好的材料，進(jìn)一步優(yōu)選為聚合物、碳系材料、親水性層或正電離子層。聚合物為導(dǎo)電聚合物，導(dǎo)電聚合物采用本領(lǐng)域常規(guī)導(dǎo)電聚合物，例如聚苯胺。碳系材料選用CNT或石墨烯；親水性層選用苯基苯酚檸檬酸、酒石酸或單甘酯；正電離子層選用氧氣，硝酸等物質(zhì)浸泡改性。
[0014]作為優(yōu)選，所述石英玻璃層的厚度為1-20_。在光催化層外覆蓋一層石英玻璃，能夠避免光催化材料與空氣的接觸，從而提升了光催化材料的壽命以及降低了因光催化材料與氧氣接觸而導(dǎo)致的電子損耗。
[0015]電基底層的厚度優(yōu)選為0.1mm?1cm。
[0016]所述的陽(yáng)極室與陰極室由離子交換膜隔離，陽(yáng)極與陰極間距不超過20cm，距離過大會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻過大，從而降低MFC電能輸出。
[0017]作為優(yōu)選，所述光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極可由如下方法制備:
[0018](I)選取碳系板、不銹鋼板或鈦板作為電極導(dǎo)電基底材料；
[0019](2)將電極導(dǎo)電基底材料拋光并浸泡在亞鐵離子溶液中；
[0020](3)對(duì)電極基底施加1.2V電勢(shì)持續(xù)15分鐘；
[0021](4)取出洗凈，并于500度高溫處理2小時(shí)；
[0022](5)電極未改性面再次拋光洗凈；
[0023](6)電極未改性面涂抹表面活性劑，進(jìn)行親水性改性，后清洗。
[0024]作為優(yōu)選，陰極室液體有兩種選擇:
[0025](I)電解液為氧化性物質(zhì)，進(jìn)一步優(yōu)選為鐵氰化鉀、高錳酸鉀、重鉻酸鉀等，配合離子交換膜為陽(yáng)離子交換膜或質(zhì)子交換膜；
[0026](2)由于光照陽(yáng)極對(duì)陽(yáng)極電勢(shì)形成了一定降低，能夠使得陰極電勢(shì)直接產(chǎn)氫，因此電解液選用普通高導(dǎo)電離子液體，進(jìn)一步優(yōu)選為酸性離子液體或含有硝酸鹽的離子液體，配合離子交換膜為陰離子交換膜。由于氧化性物質(zhì)為易耗物，成本相比較高，因此進(jìn)一步優(yōu)選為第二種電解液。
[0027]本發(fā)明還提供一種利用所述光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極微生物燃料電池進(jìn)行污水處理的方法，包括如下步驟:
[0028](I)將生活污水送入陽(yáng)極室，生物膜中的微生物降解污染物產(chǎn)生電子；
[0029](2)自然光照射光電-微生物復(fù)合陽(yáng)極的光催化面致使空穴電子分離，電子轉(zhuǎn)移至陰極形成回路，而陽(yáng)極剩余大量空穴；
[0030](3)空穴奪取陽(yáng)極另一側(cè)生物膜所產(chǎn)電子；
[0031]循環(huán)步驟(I)?(3)產(chǎn)生電能，儲(chǔ)存在蓄電池中；凈化處理后的凈水排出。
[0032]所述微生物為電活性微生物，所述的生活污水中富含可生化降解的有機(jī)物