一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构技术方案

一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构,涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。本发明专利技术为了解决现有的微生物电化学系统中间隔材料成本高的问题。多孔间隔结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。本发明专利技术间隔结构用来分隔阴极室和阳极室,该结构具有渗流过水能力，维持两侧阴阳极之间的溶解氧、COD梯度和阴阳极离子的导通能力；结构相对于离子/质子交换膜可实现非常低的成本。本发明专利技术适用于生物阴极微生物电化学系统。

A large aperture porous spacer structure for microbial cathodic electrochemical system

The utility model relates to a large aperture porous spacer structure used in Biological Cathode microbial electrochemistry system, which relates to a large aperture porous spacer structure in an electrochemical system. The invention aims at solving the problem of high cost of spacer materials in the existing microbial electrochemistry system. The main body of the porous spacer is a plate or a cylinder, and the structure body is composed of at least one layer of porous spacer with large aperture, and at least one of the porous spacers in the main body of the structure is insulating material; the pore of the porous spacer is open and the aperture is 0.1 Mu ~ 5mm. The spacer structure is used to separate the cathode chamber and the anode chamber. The structure has the ability to percolate water and maintain the conduction ability of dissolved oxygen, COD gradient and Yin and Yang ion between both yin and Yang of the two sides; the structure can achieve very low cost compared with the ion / proton exchange membrane. The invention is suitable for Biological Cathode microbial electrochemistry system.

【技术实现步骤摘要】
一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构
本专利技术涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。
技术介绍
微生物电化学系统是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子经过外电路与电子受体O2结合，质子从溶液中由阳极迁移至阴极，从而形成闭合回路，完成反应过程。生物阴极微生物电化学系统是指由微生物在阴极表面附着，从电极上获得电子并承担系统中氧还原的催化功能。典型的生物阴极微生物电化学系统如图1所示，图1中1a为阳极室，2a为阴极室，3a为阳极，4a为阴极，5a为间隔材料层，6a为电阻。在微生物电化学系统中，污水进入厌氧的阳极室，阳极降解大部分COD(有机污染物的化学需氧量)并将阳极出水排入阴极室。阴极室则一般通过曝气的方式维持好氧的环境并进一步降低阳极室出水中的少量COD。因此阳极和阴极室中间的间隔材料在整个系统中起到分割阴阳极室、维持阳极到阴极的COD梯度(阳极高/阴极低)以及阴极到阳极的溶解氧梯度的功能(阴极高/阳极低)。现有的微生物电化学系统中间隔材料采用的离子或质子交换膜价格高；无膜生物阴极微生物电化学系统能够不使用离子或质子交换膜进行水处理，但是无膜生物阴极微生物电化学系统在实际应用过程中仍然存在缺陷；不适合构建较大尺寸的系统和结构复杂的问题；MBR膜材料可以替代现有的离子或质子交换膜，但是MBR膜材料成本仍然较高；现有的微生物电化学系统系统中间隔材料多采用离子或质子交换膜。离子或质子交换膜价格昂贵，依据品质不同离子或质子交换膜每平方米价格500～10000元不等，且在污水处理工艺使用中寿命仅为1～6个月。较短的寿命和高昂的成本是微生物电化学系统实际应用中无法承受的。因此离子或质子交换膜做为间隔材料的微生物电化学系统，仍仅处于实验室水平，无法满足水处理行业的需求。离子或质子交换膜目前的价格昂贵同时，离子或质子交换膜无法满足阳极液自然渗透进入阴极室的要求，而必须通过管路绕流体系外部，增加了体系的结构冗余和构建成本。为提高微生物电化学系统的处理效率，往往需要在尽可能短的水力停留时间内处理进入阳极的COD。离子或质子交换膜能够维持阴阳极间的COD和溶解氧梯度但是并不具备将COD截留在阳极室中的能力。大量COD随着外部管路源源不断的进入阴极，造成体系性能下降，水质状况下降。目前无膜生物阴极微生物电化学系统主要为升流式结构无膜生物阴极微生物电化学系统和自呼吸生物阴极结构无膜生物阴极微生物电化学系统。图2为现有的升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的两种结构，图中(a)为阴极室置于阳极室流程的下游，(b)为阴极室置于阳极室垂直位置的上部；升流式无膜生物阴极微生物电化学系统主要指利用曝气式气泡上浮的特性，曝气气泡只能进入阴极室而不会逆浮力和水流方向进入阳极室，形成两极室溶解氧的差异，而COD差异则来源于有机物的沿流程降解。因此升流式无膜生物阴极微生物电化学系统为可以不用离子/质子交换膜而实现水处理；升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的阴极室置于阳极室流程的下游的形式需要多个隔板，多孔支撑板等结构，设计很复杂。阳极和阴极间不透水的分隔板使阴阳极不能沿最短路径实现离子导通，从而导致阴阳极之间的电阻远大于采用离子或质子交换膜的生物阴极微生物电化学系统，一般离子或质子交换膜生物阴极截面积为100cm2时的内阻约1欧姆，但是同样截面积的升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的阴极的内阻50欧姆左右，因此这种设计并不适合构建较大尺寸的应用型系统。阴极室置于阳极室垂直位置的上部的形式只能利用上部空间，因此受限较多，系统只能水平面延展，而很难在高度方向延展。虽然升流式无膜生物阴极微生物电化学系统避免了高昂的离子/质子交换膜成本，但却以复杂的结构为代价。在微生物电化学系统应用中无法基于该构型构建适于实际污水处理的立方级别甚至上百立方级别的面向应用的大型系统。现有的自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统的结构如图3所示，自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统是利用碳毡等密实导电材料作为基体，含有COD的出水从阴极基体渗出，由于基体密实且较厚，在污水向外流出的过程中COD被物理拦截、生物降解等作用不断消耗，形成外表面(基体面向空气一侧)COD浓度低而内表面(基体面向污水一侧)COD浓度高的状态。反过来外表面(基体面向空气一侧)的氧气向内扩散的过程中不断消耗，形成内表面(基体面向污水一侧)溶解氧浓度低而外表面(基体面向空气一侧)溶解氧浓度高的溶解氧梯度。因此自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统的溶解氧和COD的差异都来源于密实的生物阴极基体，进而可以不采用离子/质子交换膜进行水处理；但是自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统只有当出水缓慢而均匀时才会起作用，而较大尺寸的应用型系统深度或高度需要在1～4米间，当反应器高度较高时，在重力作用下该系统的出水会集中在下部，容易造成系统崩溃失效；因此自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统无法实际应用，仅处于实验阶段。MBR膜材料为生物膜反应器(MBR)中使用的微滤膜或超滤膜等膜材料，MBR膜材料可以代替价格昂贵的离子/质子交换膜。但是MBR膜材料的成本也在100～7000元每平米，寿命最高约为5年。虽然MBR膜材料在一定程度上降低了初期价格和维护更换的成本，具有实用性，但该MBR膜材料仍然无法完全满足市场需要。首先MBR膜材料按照孔隙率的大小不同分为微滤、超滤或纳滤等，MBR膜材料运行水头压力为0.1～1bar，使用MBR膜材料的系统需要相应的足够的机械强度和密封条件满足系统污水承压运行，足够的机械强度和密封条件带来了成本的增加；MBR膜材料的每吨水的材料成本一般大于1元，因此MBR膜材料的仍然是无法实现每吨水的材料成本降低至0.5元以内的要求。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的微生物电化学系统中间隔材料成本高的问题，提出一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。本专利技术用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述结构主体的厚度为1μm～10cm；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm；所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料；所述自支撑大孔径多孔间隔材料为的材质为多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯；所述柔性大孔径多孔间隔材料为多孔碳基材料、纺织网布或海绵；所述多孔碳基材料为石墨毡或活性炭毡；所述纺织网布为不锈钢网、筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵；所述结构主体的内表面或外表面设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金；所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：该大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述结构主体的厚度为1μm～10cm；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。

【技术特征摘要】
1.一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：该大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述结构主体的厚度为1μm～10cm；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。2.根据权利要求1所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料。3.根据权利要求1或2所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述自支撑大孔径多孔间隔材料为的材质为多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯。4.根据权利要求3所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述柔性大孔径多孔间隔材料为多孔碳基材料、纺织网布或海绵；所述多孔碳基材料为石墨毡或活性炭毡；所述纺织网布为不锈钢网、筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵。5.根据权利要求1、2或4所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面或外表面设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金。6.根据权利要求5所述的用于生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉杰，何伟华，李超，梁丹丹，曲友鹏，田言，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23