一种正渗透膜-微生物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种能够净化废水并产电的正渗透膜-微生物燃料电池，其包括阳极室、阳极、阴极室、阴极、外电路和通过两块竖直设置的正渗透膜隔开的位于阳极室和阴极室之间的中间室。本发明专利技术通过两块正渗透膜在阳极室和阴极室之间设置中间室，使得阴极室能够使用生物阴极，接种好氧微生物，因而能够克服现有技术中采用贵金属阴极所不可避免的昂贵、容易催化剂中毒等问题，同时又引入了生物阴极的优点，如微生物能够自我再生、长期稳定性好等。

【技术实现步骤摘要】
一种正渗透膜-微生物燃料电池
本专利技术属于废水处理
，具体涉及一种能够净化废水并产电的正渗透膜-微生物燃料电池。
技术介绍
正渗透(Forwardosmosis,FO)是近年来迅速发展起来的一种新型的膜分离技术，它依靠致密的半透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水分子转移和废水净化。在此过程中，废水中的水分子从低渗透压侧（进料液）自发进入高渗透压侧（汲取液），使进料液被浓缩，汲取液被稀释。相对于压力驱动的膜分离技术如超滤、纳滤和反渗透，正渗透不仅不需要外加压力，而且能够截留绝大部分的固体颗粒、悬浮物、金属离子等，因而具有污染物截留能力强、能耗较低和膜污染较轻等诸多优点。因此，近年来正渗透膜技术得到迅速发展，在废水处理、海水淡化、食品加工和能源回收等方面显示出巨大的发展潜力。微生物燃料电池(Microbialfuelcell,MFC)是另一种新兴的废水处理技术。该技术利用产电微生物作为催化剂将废水中有机物所蕴含的化学能转化为电能，同时实现污染物的去除。如图1所示，MFC一般由阳极（10’）、阳极室（1’）、阴极（20’）、阴极室（2’）、分隔阳极室（1’）和阴极室（2’）的质子交换膜PEM（3’）以及外电路（4’）组成。阳极室为厌氧环境，在阳极上接种普通厌氧微生物作为产电微生物，以要处理的有机废水为燃料；阴极室的阴极可以选用贵金属（如铂等）的化学阴极，也可以选用接种好氧微生物的生物阴极等。在阳极室，废水中的有机物被厌氧微生物降解产生电子和质子，电子传递到阳极后通过外电路进一步传递到阴极形成电流，质子则通过质子交换膜PEM扩散到阴极室和氧气、电子结合生成水。与传统的活性污泥法以及膜生物反应器等废水处理工艺相比，MFC具有能耗更低（无需曝气）、能回收电能、污泥产量少、污染物去除能力强等许多优点，显示了很好的发展和应用前景。但是，MFC应用在实际废水处理中时还是存在一些问题：（1）传统的MFC一般用质子交换膜（PEM）来分隔阳极室与阴极室，这种膜材料不仅价格昂贵（约占整个MFC反应器成本的80%），而且质子传递能力和选择性较弱、容易污染，长期运行会造成质子积累和系统产电效率下降。因此，使用质子交换膜的MFC更多局限于实验室小试研究，其大规模推广应用难以实现。（2）传统的MFC对废水中固体悬浮物和难降解污染物的去除能力较弱，处理过的废水往往还需要进行后续深度处理才能达到良好的净化效果，这无疑将进一步增加整个系统的废水处理成本。现有技术中，有国外研究人员提出一种新的集成工艺——将FO膜和MFC技术有机结合起来，即将质子交换膜PEM换成FO膜，形成正渗透膜-微生物燃料电池（FOMFC）。这种FOMFC工艺兼具FO和MFC两者的优点并且能有效弥补各自的不足。一方面，和传统的采用PEM的MFC相比，FOMFC提高了产电的能力，而且还能有效截留更多污染物（包括各种难降解有机污染物和重金属等），从而得到更高品质的出水，无需再增加后续深度处理；另外，FO膜比PEM成本更低，且具有更好的质子传递能力，因此能在一定程度上减轻阳极的质子积累，提高整个系统的产电效率。另一方面，相对于传统的FO膜过滤工艺，FOMFC能在废水处理的同时回收电能，从而部分补偿系统的能耗和运行成本，甚至有希望实现能量方面的“自给自足”。但是，目前的FOMFC工艺仍存在一些不足之处：由于采用FO膜作为膜材料，质子随水分子以水合质子的形式从阳极室（废液侧）扩散至阴极室（汲取液侧），因此必须保证阴极室内汲取液的高盐浓度，这种高盐浓度下微生物难以生长，因而阴极室只能使用化学阴极，无法使用生物阴极。化学阴极通常使用铂等贵金属作为阴极催化剂，这种催化剂不仅昂贵而且长期运行过程中容易出现催化剂中毒，导致催化活性下降，影响系统的产电和废水处理效率。另一方面，阳极室中的厌氧微生物只能降解废液中的有机物，对于含氮、磷、金属离子等其他污染物的去除能力很弱，长期运行下氮、磷、金属离子等其他污染物会在阳极室大量积累，从而也会影响整个系统的净水效果和产电效率。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一种改进的能采用生物阴极的正渗透膜-微生物燃料电池，可称为正渗透膜-生物阴极型微生物燃料电池(Forwardosmosis-BiocathodeMicrobialfuelcell,FO-BCMFC）。为解决以上技术问题，本专利技术采取的技术方案是：一种正渗透膜-微生物燃料电池，包括具有废液进口的厌氧阳极室、位于所述阳极室内的阳极、阴极室、位于所述阴极室内的阴极、设置在所述阳极室与所述阴极室之间的正渗透膜以及分别与所述阳极和所述阴极相连接的外电路，其中，所述正渗透膜有两块，分别为靠近所述阳极竖直设置的第一正渗透膜和靠近所述阴极竖直设置的第二正渗透膜，所述第一正渗透膜和所述第二正渗透膜之间的空间形成了位于所述阳极室和所述阴极室之间的中间室；所述阴极采用生物阴极。所谓生物阴极，主要是指采用活性微生物作为催化剂的阴极类型。优选地，所述阳极室与所述阴极室之间还设置有能够将所述阳极室中的废液输送至所述阴极室内的废液转移管。进一步地，所述阳极室的废液进口开设在所述阳极室的外侧下部，所述废液转移管的进液端与所述阳极室的位于所述阳极内侧的顶部相连通，所述废液转移管的出液端与所述阴极室的位于所述阴极外侧的顶部相连通。优选地，所述阳极包括从所述阳极室的底部至顶部竖直设置的阳极碳毡和富集在所述阳极碳毡表面的厌氧微生物层；所述阴极包括从所述阴极室的底部至顶部竖直设置的阴极碳毡和富集在所述阴极碳毡表面的好氧微生物层。优选地，所述阴极室内接入曝气装置。进一步地，所述曝气装置包括设置在所述阴极室底部的微孔曝气头以及与所述微孔曝气头通过气路相连并暴露在空气中的气泵。优选地，所述正渗透-微生物燃料电池还包括汲取液罐，所述中间室与所述汲取液罐之间通过两根管道相连通，且所述管道上设置有泵，使得汲取液能够在所述汲取液罐和所述中间室之间循环流动。利用本专利技术的正渗透膜-微生物燃料电池净化污水并产电的过程如下：首先将废水通过阳极室的废液进口输送至厌氧的阳极室中，废水中的有机污染物在阳极附近被厌氧微生物降解，产生电子，并通过阳极传递到外电路再传递至阴极，在阴极表面微生物的催化作用下，电子与氧气、质子结合生成水，如此构成电路的闭合回路，达到产电目的；阳极室的废水经过厌氧微生物净化后，水体中大部分污染物(主要是有机污染物)已经去除，废水中的部分水分子通过第一正渗透膜过滤进入到中间室，而阴极室内的部分水分子也可以通过第二正渗透膜过滤进入到中间室，中间室中的汲取液达到一定量后，经过简单的脱盐处理即可以得到水质优良的干净出水，达到净水目的。作为本专利技术的优选实施方式，在阳极室与阴极室之间还可以设置废液转移管。废水中的有机污染物在阳极室被厌氧微生物不断降解，而废水中的含氮、含磷或含其他金属离子等的无机污染物则会在阳极室中不断累积，因而通过废液转移管的设置可将在阳极室经过厌氧微生物降解的部分废水再输送至阴极室中，由于阴极室中采用生物阴极，主要接种好氧微生物，这部分废水中的含氮、磷或其他金属离子等的无机污染物会由阴极室中的好氧微生物继续降解，如此经过两次、两种微生物的降解，废水中的有机、无机污染物均可以得到很好的去除，可以达到非常好的废水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正渗透膜‑微生物燃料电池，包括具有废液进口的厌氧阳极室（1）、位于所述阳极室（1）内的阳极（10）、阴极室（2）、位于所述阴极室（2）内的阴极（20）、设置在所述阳极室（1）与所述阴极室（2）之间的正渗透膜以及分别与所述阳极（10）和所述阴极（20）相连接的外电路（4），其特征在于：所述正渗透膜有两块，分别为靠近所述阳极（10）竖直设置的第一正渗透膜（11）和靠近所述阴极（20）竖直设置的第二正渗透膜（21），所述第一正渗透膜（11）和所述第二正渗透膜（21）之间的空间形成了位于所述阳极室（1）和所述阴极室（2）之间的中间室（3）；所述阴极（20）采用生物阴极。

【技术特征摘要】
1.一种正渗透膜-微生物燃料电池，包括具有废液进口的厌氧阳极室（1）、位于所述阳极室（1）内的阳极（10）、阴极室（2）、位于所述阴极室（2）内的阴极（20）、设置在所述阳极室（1）与所述阴极室（2）之间的正渗透膜以及分别与所述阳极（10）和所述阴极（20）相连接的外电路（4），其特征在于：所述正渗透膜有两块，分别为靠近所述阳极（10）竖直设置的第一正渗透膜（11）和靠近所述阴极（20）竖直设置的第二正渗透膜（21），所述第一正渗透膜（11）和所述第二正渗透膜（21）之间的空间形成了位于所述阳极室（1）和所述阴极室（2）之间的中间室（3）；所述阴极（20）采用生物阴极。2.根据权利要求1所述的正渗透膜-微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室（1）与所述阴极室（2）之间还设置有能够将所述阳极室（1）中的废液输送至所述阴极室（2）内的废液转移管（5）。3.根据权利要求2所述的正渗透膜-微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极室（1）的废液进口开设在所述阳极室（1）的外侧下部，所述废液转移管（5）的进液端与所述阳极室（1）的位于所述阳极（10）内侧的顶部相连通，所述废液转移管（5）...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文卫，朱先征，俞汉青，张锋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32