一种微生物燃料电池及其在废水脱氮中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种微生物燃料电池，包括阴极室和密闭的阳极室，所述阴极室和阳极室通过连通管道连接，所述连通管道内设有质子交换膜，所述阴极室内的阴极和阳极室内的阳极通过导线连通，所述阴极和阳极之间设有电阻，所述阴极为采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极。本发明专利技术还公开了上述微生物燃料电池在废水脱氮中的应用。本发明专利技术微生物燃料电池阴极采用PANI或PAOA修饰改性后，大大提高了阴极的比表面积和生物相容性，丰富了阴极反硝化菌的积累并进一步推进了反硝化过程，进而有效提高了微生物燃料电池对废水中氮的脱除效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微生物燃料电池，还涉及上述微生物燃料电池在废水脱氮中的应用，属于新能源与环境工程

技术介绍
微生物燃料电池(MFC)的优势在于处理废水的同时对其中蕴涵的能源进行回收，从而得到环境修复和能源回收的双重效果。MFC是涉及水质工程学、流体力学、微生物学和电化学等多方面的综合交叉学科，其性能受多种因素的影响。产电能力过低是目前MFC研究及应用的主要障碍，而限制其产能输出的因素又复杂多样。这些因素彼此相关联，因此为了实现真正意义地提高MFC电能输出，有必要对于各个因素的关联性做讨论。导电聚合物又称导电高分子，是通过掺杂等手段，使得聚合物的电导率达到半导体和导体之间的聚合物。导电聚合物的主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系，π电子的流动为导电提供了可能性。没有经过掺杂的导电聚合电导率很低，属于绝缘体。经过氧化掺杂(使导电聚合物链上失去电子)或还原掺杂(得到电子)，在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子或孤子能级，其电导率能上升到10-8000S/cm2，达到半导体，甚至导体的电导率范围。导电聚合物的优势在于，它既有金属或半导体的电学特征，又具有有机聚合物的柔韧性和可塑性，因此，对其的应用十分广泛。微生物在MFC脱氮过程中起着很重要的作用，反硝化细菌能够利用有机和无机物质作为电子供体进行反硝化，它可用于通过反硝化菌群将硝态氮还原代谢和生长演化。自养(或兼养)反硝化细菌以阴极电子作为电子供体的反硝化，他们是MFC反硝化作用的重要驱动力。然而，迄今为止，对反硝化细菌群落的结构和数量研究很少，更缺乏对MFC中阴极系统的反硝化过程的机制的了解。选择MFC电极修饰材料和方法，来得到良好的MFC效能，同时研究潜在的产电微生物的线索，分析电极上菌群结构以及MFC在脱氮应用中的机制，对指导今后对于电极材料的选择和应用来提高MFC性能具有十分重要的意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种微生物燃料电池，该微生物燃料电池采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极作为阴极，大大提高了微生物燃料电池对废水中氮的脱除效果。本专利技术还要解决的技术问题是提供上述微生物燃料电池在废水脱氮中的应用。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种微生物燃料电池，包括阴极室和密闭的阳极室，所述阴极室和阳极室通过连通管道连接，所述连通管道内设有质子交换膜，所述阴极室内的阴极和阳极室内的阳极通过导线连通，所述阴极和阳极之间设有电阻，所述阴极为采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极。其中，所述碳毡电极的修饰改性方法包括如下步骤：步骤1，对待修饰改性的碳毡电极进行预处理；步骤2，将处理后的碳毡电极浸入200mL的1M HCl溶液中，再往HCl溶液中加入0.08mol的苯胺单体和0.08mol的过硫酸氨固体，将该混合液持续搅拌数小时；步骤3，将修饰后的碳毡电极清洗至滤液透明无色，于50℃下烘干即可。其中，所述碳毡电极的修饰改性方法包括如下步骤：步骤1，对待修饰改性的碳毡电极进行预处理；步骤2，将处理后的碳毡电极浸入200mL的1M HCl溶液中，再往HCl溶液中加入0.08mol的苯胺单体、0.008mol邻氨基酚以及0.08mol的过硫酸氨固体，将该混合液持续搅拌数小时；步骤3，将修饰后的碳毡电极清洗至滤液透明无色，于50℃下烘干即可。其中，所述预处理步骤为：将碳毡电极置于0.1M HCl溶液中浸泡24小时，浸泡后进行清洗、超声处理。其中，所述碳毡电极的尺寸为4cm×3cm×0.3cm。其中，所述质子交换膜在使用前，先置于80℃质量百分浓度为3％的H2O2溶液中浸泡1h，冲洗后再放入80℃质量百分浓度为10％的H2O2溶液中浸泡1h，浸泡后冲洗处理。其中，所述阴极室还设有搅拌装置。上述微生物燃料电池在废水脱氮中的应用。本专利技术微生物燃料电池阴极室中，自养(或兼养)反硝化细菌以阴极电子作为电子供体进行反硝化，阴极作为强化脱氮的场所，从而减少碳源的消耗。聚苯胺(PANI)具有良好的导电性和稳定性，苯胺-2、4-二氨基酚共聚物(PAOA)是聚苯胺的新型共聚物，杂化的聚苯胺拥有较高的导电率，使用聚苯胺对碳电极进行修饰，不会影响电极导电性，对电池内阻也不会有大的增加。而其作为有机聚合物，生物相容性较好，对电极微生物的吸附、固着能力强。此外，聚苯胺(或其共聚物)含有大量氨基，可以作为吸附剂表面的活性位点，而且其对于重金属离子的络合性强。使用碳毡作为电极的基础材料，由于碳毡粗糙的表面，拥有更高的比表面积，可吸附的微生物多，捕获的电子量大，相对于碳布、碳纸、石墨板作为基础材料，其启动速度最快，达到的最大电压也最大，并且功率密度最大。此外，由于碳毡材料的孔隙率高，也更适合新型材料在其中的分布。与现有技术相比，本专利技术技术方案具有的有益效果是：本专利技术微生物燃料电池采用聚苯胺(或其共聚物)对阴极进行修饰，聚苯胺(或其共聚物)对微生物无毒害性，且不会影响电极导电性，对电池内阻不会有大的增加，并且其作为有机聚合物，生物相容性好，对电极微生物的吸附、固着能力强，同时其含有大量氨基，可以作为吸附剂表面的活性位点；本专利技术微生物燃料电池阴极采用PANI或PAOA修饰改性后，大大提高了阴极的比表面积和生物相容性，丰富了阴极的反硝化菌并进一步推进了反硝化过程，进而有效提高了微生物燃料电池对废水中氮的脱除效果。附图说明图1是本专利技术H型双室微生物燃料电池的结构示意图；图2是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极修饰前的SEM图；图3是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极采用PANI修饰后的SEM图；图4是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极采用PAOA修饰后的SEM图；图5是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极修饰前后的电压分布图；图6是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极修饰前后整个微生物燃料电池运行周期的COD监测数据图；图7是本专利技术微生物燃料电池碳毡电极修饰前后整个微生物燃料电池运行周期的硝态氮和亚硝态氮监测数据图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术微生物燃料电池，包括阴极室2和密闭的阳极室1，阴极室2和阳极室1通过连通管道12连接，连通管道12内设有质子交换膜8，阴极室2内的阴极4和阳极室1内的阳极3通过导线9连通，阴极4和阳极3之间设有外电阻7，阴极4为采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极，碳毡电极的尺寸为4cm×3cm×0.3cm。本专利技术微生物燃料电池还包括搅拌装置11，搅拌装置11伸入阴极室2中，阴极室2还设有进水口5和出水口6。其中，质子交换膜8在使用前，先置于80℃质量百分浓度为3％的H2O2溶液中浸泡1h，用去离子水冲洗3次后，再放入80℃质量百分浓度为10％的H2O2溶液中浸泡1h，再用去离子水冲洗3次。本专利技术微生物燃料电池的产电过程为：阳极液和少量产电微生物由阳极进样口10进入阳极室1，在密闭的阳极室1的厌氧环境中，产电微生物将有机物氧化生成电子、质子和二氧化碳，电子经外电路导线9转移到阴极室2的阴极4，质子经由质子交换膜8扩散进入阴极室2，在阴极4活性点位上氧气被还原，与质子结合生成水。本专利技术微生物燃料电池碳毡电极的修饰改性方法，包括如下步骤：步骤1，对待修饰改性的碳毡电极进行预处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物燃料电池，其特征在于：包括阴极室和密闭的阳极室，所述阴极室和阳极室通过连通管道连接，所述连通管道内设有质子交换膜，所述阴极室内的阴极和阳极室内的阳极通过导线连通，所述阴极和阳极之间设有电阻，所述阴极为采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极。

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池，其特征在于：包括阴极室和密闭的阳极室，所述阴极室和阳极室通过连通管道连接，所述连通管道内设有质子交换膜，所述阴极室内的阴极和阳极室内的阳极通过导线连通，所述阴极和阳极之间设有电阻，所述阴极为采用PANI或PAOA修饰改性的碳毡电极。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述碳毡电极的修饰改性方法包括如下步骤：步骤1，对待修饰改性的碳毡电极进行预处理；步骤2，将处理后的碳毡电极浸入200mL的1M HCl溶液中，再往HCl溶液中加入0.08mol的苯胺单体和0.08mol的过硫酸氨固体，将该混合液持续搅拌数小时；步骤3，将修饰后的碳毡电极清洗至滤液透明无色，于50℃下烘干即可。3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述碳毡电极的修饰改性方法包括如下步骤：步骤1，对待修饰改性的碳毡电极进行预处理；步骤2，将处理后的碳毡电极浸入200mL的1M HC...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，操家顺，周仕华，章震，于阳阳，谢坤，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32