一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法技术

本发明专利技术公开了一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法，属于含重金属小麦籽粒的资源化处理技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法，包括含重金属小麦籽粒的液化，微生物燃料电池的组装及启动及微生物燃料电池利用含重金属小麦籽粒水解液产电等步骤。本发明专利技术有效实现了含重金属小麦籽粒资源化处理，在回收电能的同时可将出水COD降至250mg/L以下，并且出水中的重金属离子浓度完全满足国家级地方的污水综合排放标准，因此具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法
本专利技术属于含重金属小麦籽粒的资源化处理
，具体涉及一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法。
技术介绍
我国是重金属污染比较严重的国家，矿产、镀锌、染织、油漆和轮胎等行业是重金属污染主要来源。重金属威胁人类的身体健康。调查显示，目前我国受镉、铅和铬等重金属污染的耕地面积已达2000万公顷，占全国总耕地面积的1/5，而其中最大比例的是受到工业“三废”污染的耕地。重金属污染不仅影响农作物的生长发育、产量及品质，而且还可通过大气、水、土壤和农产品等多种渠道进入食物链，危及人类的健康及生命安全。小麦是中国北方的主要作物,生长周期长,城市周边和公路两侧的小麦极易通过叶片吸收空气中的铅等重金属,在小麦的叶片、茎杆、根系和籽粒中积累。重金属还可以通过污水灌溉、有机肥施用等渠道污染农田土壤，进而被小麦吸收而富集到小麦籽粒中。据调查研究结果表明，江苏、河南等多个土壤重金属污染严重的地区生产的小麦籽粒都存在重金属含量超标的现象。重金属污染的小麦籽粒既不能制作成食品或饲料供给人畜食用，也不能随意丢弃而污染环境。小麦籽粒含有淀粉、蛋白质、纤维素等有价值的成分，可生化降解率高，蕴藏着大量的化学能。微生物燃料电池是一种新型电化学能量转换技术，可将葡萄糖、乙酸、生活污水和剩余污泥中的化学能直接转化为电能，避免了热机卡诺循环的限制，具有转化效率高的特点。但微生物燃料电池利用固态有机底物的效率低，主要受固体水解速率的限制。对固体底物进行预处理，可有效提高微生物燃料电池的产电速率。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法，其特征在于具体过程为：(1)含重金属小麦籽粒的液化，将含重金属小麦籽粒用去离子水清洗干净、烘干，用打粉机将其打成粉末，过80目筛子除去大部分麸皮得到小麦粉备用，将小麦粉加入到去离子水中，其中小麦粉与去离子水的投料配比为1g:20mL，然后放到恒温磁力搅拌器上持续搅拌，将温度升至73±2℃并保持30分钟使淀粉糊化，用稀硫酸或稀盐酸将淀粉糊化液的pH调至5.6～6.0，再将温度升至90±2℃并保持20分钟，之后将温度降至70±2℃，再加入0.5gα-淀粉酶并保持30分钟使淀粉水解液化，用碘液检测淀粉水解液化溶液中的淀粉含量直至遇碘液不显色为止，最后将液化后的混合液冷却到室温并沉淀放置24小时，将上清液转入试剂瓶，标记为含重金属小麦籽粒水解液，放入4℃冷藏柜中保存备用；(2)微生物燃料电池的组装及启动，微生物燃料电池主要由电池筒体、碳刷阳极、阳极导线钛丝、阳极端盖、空气阴极、阴极导线钛丝和阴极端盖组成，其中碳刷阳极在安装之前依次用丙酮和1mol/L盐酸溶液浸泡12小时，并用去离子水冲洗至pH呈中性，空气阴极采用碳纸材料，其与空气接触的一侧涂有聚四氟乙烯疏水层，厚度为20～30μm，另一侧涂布有铂碳催化剂，其中铂的负载量为0.35～0.50mg/cm2，微生物燃料电池的启动采用城市污水处理厂的二沉池剩余污泥为接种物，将0.75g葡萄糖溶入1L磷酸盐缓冲溶液中作为电解液，该磷酸盐缓冲溶液中包含NH4Cl、NaH2PO4·H2O、Na2HPO4·H2O、KCl和微量元素，再向电解液中鼓入高纯氮气至少15分钟以赶出电解液中的溶解氧，然后将其注入微生物燃料电池内，微生物燃料电池工作环境温度为22±3℃，外接电阻为1000Ω，监测电阻两端的电压，当电压低于50mV时，完全更换微生物燃料电池内的电解液，待电阻两端最高电压稳定三个周期，微生物燃料电池启动成功；(3)微生物燃料电池利用含重金属小麦籽粒水解液产电，将含重金属小麦籽粒水解液用上述磷酸盐缓冲溶液稀释，然后将稀释后的混合液注入成功启动的微生物燃料电池内，附着在碳刷阳极上的微生物新陈代谢氧化含重金属小麦籽粒水解液中有机物夺得电子并生成质子，所得电子从微生物转移到碳刷阳极上，电子通过电路达到空气阴极，同时生成的质子也达到空气阴极，空气中的氧气自由扩散穿过空气阴极到达空气阴极的内侧表面上，质子、电子和氧气结合生成水，在获得电能的同时，由于微生物代谢分解而使得含重金属小麦籽粒水解液中的有机物浓度降低，并且由于微生物的群落不断驯化具有电化学性质的微生物在电极表面被富集起来，通过微生物的分解代谢降低有机物浓度的同时获得电能。优选的，所述电池筒体的一端设有环形凹槽，环形凹槽内依次安装空气阴极和密封圈后通过阴极端盖压紧密封，该空气阴极与阴极导线钛丝连接，电池筒体的另一端通过密封圈和阳极端盖压紧密封，阴极端盖和阳极端盖之间形成燃烧室，阳极端盖的中部通过绝缘胶密封固定有阳极导线钛丝，该阳极导线钛丝与设置于燃烧室内的碳刷阳极连接，碳刷阳极与空气阴极之间的间距不小于0.5cm，阴极导线钛丝和阳极导线钛丝分别通过导线与电阻的两端连接形成回路。优选的，所述碳刷阳极的直径为2.5cm，长度为2.5cm，微生物燃料电池燃烧室的直径为3cm，长度为4cm，容积为28mL。优选的，所述电池筒体的上部设有用作参比电极及其他传感器探头插入、采样分析和燃料注入的取样口，微生物燃料电池运行时采用硅胶塞将取样口密封。优选的，所述磷酸盐缓冲溶液包括0.31g/LNH4Cl、19.88g/LNaH2PO4·H2O、11g/LNa2HPO4·H2O、13g/LKCl、2.0mg/L氨三乙酸、3.0mg/LMgSO4、0.5mg/LMnSO4、1.0mg/LNaCl、0.1mg/LFeSO4·7H2O、0.1mg/LCaCl·2H2O、0.1mg/LCoCl2·6H2O、0.13mg/LZnCl2、0.01mg/LCuSO4·5H2O、0.01mg/LAlK(SO4)·12H2O、0.01mg/LH3BO3、0.025mg/LNa2MnO4、0.024mg/LNiCl2·6H2O和0.025mg/LNa2WO4·2H2O。本专利技术有效实现了含重金属小麦籽粒资源化处理，在回收电能的同时可将出水COD降至250mg/L以下，并且出水中的重金属离子浓度完全满足国家级地方的污水综合排放标准，因此具有较好的应用前景。附图说明图1是本专利技术中单室MFC反应器的结构示意图；图中：1-电池筒体，2-碳刷阳极，3-阳极导线钛丝，4-空气阴极，5-阳极盖板，6-阴极盖板，7-密封圈，8-阴极导线钛丝，9-燃烧室，10-电阻，11-取样口，12-导线。图2是实施例中三组试验的极化曲线；图3是实施例中三组试验的功率密度曲线；图4是不同底物浓度下MFC反应器的进水COD和库伦效率情况。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1如图1所示，微生物燃料电池的构造：电池筒体1的一端设有环形凹槽，环形凹槽内依次安装空气阴极4和密封圈7后通过阴极端盖6压紧密封，该空气阴极4与阴极导线钛丝8连接，电池筒体1的另一端通过密封圈和阳极端盖5压紧密封，阴极端盖6和阳极端盖5之间形成燃烧室9，阳极端盖3的中部通过绝缘胶密封固定有阳极导线钛丝3，该阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法，其特征在于具体过程为：（1）含重金属小麦籽粒的液化，将含重金属小麦籽粒用去离子水清洗干净、烘干，用打粉机将其打成粉末，过80目筛子除去大部分麸皮得到小麦粉备用，将小麦粉加入到去离子水中，其中小麦粉与去离子水的投料配比为1g:20mL，然后放到恒温磁力搅拌器上持续搅拌，将温度升至73±2℃并保持30分钟使淀粉糊化，用稀硫酸或稀盐酸将淀粉糊化液的pH调至5.6~6.0，再将温度升至90±2℃并保持20分钟，之后将温度降至70±2℃，再加入0.5g α‒淀粉酶并保持30分钟使淀粉水解液化，用碘液检测淀粉水解液化溶液中的淀粉含量直至遇碘液不显色为止，最后将液化后的混合液冷却到室温并沉淀放置24小时，将上清液转入试剂瓶，标记为含重金属小麦籽粒水解液，放入4℃冷藏柜中保存备用；（2）微生物燃料电池的组装及启动，微生物燃料电池主要由电池筒体、碳刷阳极、阳极导线钛丝、阳极端盖、空气阴极、阴极导线钛丝和阴极端盖组成，其中碳刷阳极在安装之前依次用丙酮和1mol/L盐酸溶液浸泡12小时，并用去离子水冲洗至pH呈中性，空气阴极采用碳纸材料，其与空气接触的一侧涂有聚四氟乙烯疏水层，厚度为20~30μm，另一侧涂布有铂碳催化剂，其中铂的负载量为0.35~0.50mg/cm2，微生物燃料电池的启动采用城市污水处理厂的二沉池剩余污泥为接种物，将0.75g葡萄糖溶入1L磷酸盐缓冲溶液中作为电解液，该磷酸盐缓冲溶液中包含NH4Cl、NaH2PO4·H2O、Na2HPO4·H2O、KCl和微量元素，再向电解液中鼓入高纯氮气至少15分钟以赶出电解液中的溶解氧，然后将其注入微生物燃料电池内，微生物燃料电池工作环境温度为22±3℃，外接电阻为1000Ω，监测电阻两端的电压，当电压低于50mV时，完全更换微生物燃料电池内的电解液，待电阻两端最高电压稳定三个周期，微生物燃料电池启动成功；（3）微生物燃料电池利用含重金属小麦籽粒水解液产电，将含重金属小麦籽粒水解液用上述磷酸盐缓冲溶液稀释，然后将稀释后的混合液注入成功启动的微生物燃料电池内，附着在碳刷阳极上的微生物新陈代谢氧化含重金属小麦籽粒水解液中有机物夺得电子并生成质子，所得电子从微生物转移到碳刷阳极上，电子通过电路达到空气阴极，同时生成的质子也达到空气阴极，空气中的氧气自由扩散穿过空气阴极到达空气阴极的内侧表面上，质子、电子和氧气结合生成水，在获得电能的同时，由于微生物代谢分解而使得含重金属小麦籽粒水解液中的有机物浓度降低，并且由于微生物的群落不断驯化具有电化学性质的微生物在电极表面被富集起来，通过微生物的分解代谢降低有机物浓度的同时获得电能。...

【技术特征摘要】
1.一种含重金属小麦籽粒液化及回收电能的方法，其特征在于具体过程为：（1）含重金属小麦籽粒的液化，将含重金属小麦籽粒用去离子水清洗干净、烘干，用打粉机将其打成粉末，过80目筛子除去大部分麸皮得到小麦粉备用，将小麦粉加入到去离子水中，其中小麦粉与去离子水的投料配比为1g:20mL，然后放到恒温磁力搅拌器上持续搅拌，将温度升至73±2℃并保持30分钟使淀粉糊化，用稀硫酸或稀盐酸将淀粉糊化液的pH调至5.6~6.0，再将温度升至90±2℃并保持20分钟，之后将温度降至70±2℃，再加入0.5gα‒淀粉酶并保持30分钟使淀粉水解液化，用碘液检测淀粉水解液化溶液中的淀粉含量直至遇碘液不显色为止，最后将液化后的混合液冷却到室温并沉淀放置24小时，将上清液转入试剂瓶，标记为含重金属小麦籽粒水解液，放入4℃冷藏柜中保存备用；（2）微生物燃料电池的组装及启动，微生物燃料电池主要由电池筒体、碳刷阳极、阳极导线钛丝、阳极端盖、空气阴极、阴极导线钛丝和阴极端盖组成，其中碳刷阳极在安装之前依次用丙酮和1mol/L盐酸溶液浸泡12小时，并用去离子水冲洗至pH呈中性，空气阴极采用碳纸材料，其与空气接触的一侧涂有聚四氟乙烯疏水层，厚度为20~30μm，另一侧涂布有铂碳催化剂，其中铂的负载量为0.35~0.50mg/cm2，微生物燃料电池的启动采用城市污水处理厂的二沉池剩余污泥为接种物，将0.75g葡萄糖溶入1L磷酸盐缓冲溶液中作为电解液，该磷酸盐缓冲溶液中包含NH4Cl、NaH2PO4·H2O、Na2HPO4·H2O、KCl和微量元素，再向电解液中鼓入高纯氮气至少15分钟以赶出电解液中的溶解氧，然后将其注入微生物燃料电池内，微生物燃料电池工作环境温度为22±3℃，外接电阻为1000Ω，监测电阻两端的电压，当电压低于50mV时，完全更换微生物燃料电池内的电解液，待电阻两端最高电压稳定三个周期，微生物燃料电池启动成功；（3）微生物燃料电池利用含重金属小麦籽粒水解液产电，将含重金属小麦籽粒水解液用上述磷酸盐缓冲溶液稀释，然后将稀释后的混合液注入成功启动的微生物燃料电池内，附着在碳刷阳极上的微生物新陈代谢氧化含重金属小麦籽粒水解液中有机物夺得电子并生成质子，所得电子从微生物转移到碳刷阳极上，电子...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁广恩，邓红虎，张鑫，张景景，陈伊梅，吉钰，王琦，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41