一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法技术

一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法，属于水处理技术领域。本发明专利技术所述微生物燃料电池，由空气阴极、碳纤维刷阳极、单室立方体反应器、橡皮塞组成，将碳纤维刷阳极从反应器上方垂直插入，并用橡胶塞密封保持系统密闭，空气阴极由碳纳米管层、不锈钢网层、导电碳黑层叠加组成，空气阴极置于反应器末端凹陷处，其碳纳米管催化层与反应器内溶液直接接触，导电碳黑层靠近空气侧并直接与空气接触，将碳纤维刷阳极与空气阴极通过导线串联外部电阻，组成单式空气阴极微生物燃料电池。本发明专利技术的优点是：方法简单、操作简便、易于实施，在利用MFC产电的同时，处理污水中低浓度的抗生素，为MFC的实际应用提供了一种新方法。

A method of treating low concentration ceftazidime in water and generating electricity based on MFC Technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法
本专利技术采用微生物处理的方法，以微生物燃料电池（MFC）为反应器在产电的同时，处理低浓度的抗生素废水，属于水处理

技术介绍
随着医疗业的发展，大量药物广泛用于人类、兽医和农业，并不断释放到环境中。由于广泛使用和处理不当，许多抗生素及其残留物被引入水生环境和土壤中，其存在可能对水生生物的生存、生长、繁殖产生强烈影响，如果在污水处理过程中没有被生物降解或消除，抗生素会进入水生环境并最终到达饮用水，危害人类健康。为了控制水生环境中抗生素的污染，已经研究和应用了几种去除抗生素的方法，如生物法、吸附法、光解法等，其中生物处理法因其消耗少、成本低、操作简单且无二次污染的优点，成为降解水中抗生素的重要方法。微生物燃料电池（MFC）作为一种在降解污染物的同时能够产生电能的新型生物电化学系统，应用于处理抗生素废水的同时，不仅有较高的去除效率，同时也有可观的输出电能，具有非常好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术在于提供一种MFC技术，处理污水中的低浓度抗生素，并且达到产电的目的。其方法简单、操作简便、易于实施，在利用MFC产电的同时，处理污水中难以降解的低浓度抗生素，为MFC的实际应用提供了一种新方法。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：1）微生物燃料电池的启动本专利技术采用单室空气阴极立方体反应器，顶端设有方便取水注水的开口。阴极置于末端略微凹陷处，阳极碳纤维刷于反应器顶端1.5cm的孔插入，并用橡胶塞密封保持系统密闭，两个电极间距约为1cm。电极与导线由铜片相连，外接电阻为1000Ω。MFC反应器放置于恒温培养箱中，温度设置为30℃。本专利技术取厌氧污泥作为接种泥。接种时向反应器加入10mL厌氧污泥和10mL营养液。待MFC组装完成，通过反应器上方注水口接通氮吹仪10min，构建反应器内的厌氧环境；2）微生物燃料电池的运行反应器在运行期间处于厌氧环境中，只在更新阳极液的时候打开活塞，启动期间水力停留时间为12h，然后人工更换培养液。微生物驯化时间为60天；3）投加头孢他啶后微生物燃料电池的运行在第61天向反应器投加0.1mg/L头孢他啶，水力停留时间为12h，然后人工更换培养液。微生物驯化时间为30天。所述微生物燃料电池中空气阴极的制备方法，步骤如下：1）制备前，需要对掺杂前的碳纳米管预处理操作：将一定量多壁碳纳米管在浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中浸泡1h，抽滤水洗至中性，烘干备用；2）将8gNiCl2·6H2O溶于含有6gCNT的100mL去离子水中，超声30min，滴加氨水，调节溶液pH为9-10，待充分混合后用去离子水和乙醇分别冲洗黑色沉淀物3次，在95℃下干燥24h，以氮气为保护气，在400℃下煅烧2h，升温速率为2℃/min，得到NiO-CNT复合材料作为空气阴极催化剂；3）称取一定量碳黑于烧杯，加入适量乙醇，超声30min，慢慢滴入PTFE（每0.5g对应0.1mL的PTFE），超声1h均匀混合，用作扩散层。在80℃下烘干至面团状，用擀面杖擀成薄膜，用对辊机将薄膜和不锈钢压成0.4mm厚度的平板，在340℃下加热25min，取NiO-CNT复合材料于烧杯，加入适量乙醇，超声30min，慢慢滴入PTFE（每0.5g对应0.1mL的PTFE），超声1h均匀混合，在80℃下烘干至面团状，用擀面杖擀成薄膜，用对辊机将薄膜和上一步压制好的不锈钢压制，得到厚度为0.6mm的空气阴极。所述微生物燃料电池的反应器边长为4cm，反应器体积为28mL，单位体积的表面积为25m2/m3，顶端取水注水开口直径为0.5cm。反应器顶端阳极插入开口直径为1cm，阴极有效面积为直径3cm的圆。本专利技术的优点是：该方法通过单室空气阴极微生物燃料电池实施，通过微生物降解废水中有机物的化学能，实现电子的转移，阴极电子受体为廉价易得的空气，在去除水中低浓度头孢他啶的同时产生电能，成本较低、操作方便，可重复利用，且方法简单，易于实施，并为培养具有头孢他啶抗性基因的微生物提供了可能，具有显著的技术效果和推广价值。附图说明图1为本专利技术使用的单室空气阴极微生物燃料电池装置图。1.空气阴极，2.阴极，3.注水口，4.容器。图2为投加头孢他啶前后阳极微生物扫描电镜图。图3为投加不同浓度头孢他啶时微生物燃料电池的极化曲线及功率密度曲线。图4为投加不同浓度头孢他啶时微生物燃料电池中COD去除率比较。图5为投加不同浓度头孢他啶时微生物燃料电池中头孢他啶去除率比较。图6为投加不同浓度头孢他啶时微生物燃料电池中氮的转化比较。具体实施方式本专利技术用以下实施例说明采用微生物燃料电池处理抗生素废水且产电的效果，但本专利技术并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施例都包含在本专利技术的技术范围内。具体装置如图1所示：1）微生物燃料电池的启动本专利技术采用单室空气阴极立方体反应器，顶端设有方便取水注水的开口。阴极置于末端略微凹陷处，阳极碳纤维刷于反应器顶端1.5cm的孔插入，并用橡胶塞密封保持系统密闭，两个电极间距约为1cm，电极与导线由铜片相连，外接电阻为1000Ω，MFC反应器放置于恒温培养箱中，温度设置为30℃，本专利技术取厌氧污泥作为接种泥，接种时向反应器加入10mL厌氧污泥和10mL营养液，待MFC组装完成，通过反应器上方注水口接通氮吹仪10min，构建反应器内的厌氧环境；2）微生物燃料电池的运行反应器在运行期间处于厌氧环境中，只在更新阳极液的时候打开活塞，启动期间水力停留时间为12h，然后人工更换培养液。微生物驯化时间为60天；3）投加头孢他啶后微生物燃料电池的运行在第61天向反应器投加0.1mg/L头孢他啶，水力停留时间为12h，然后人工更换培养液。微生物驯化时间为30天。所述微生物燃料电池中空气阴极的制备方法，步骤如下：1）制备前，需要对掺杂前的碳纳米管预处理操作：将一定量多壁碳纳米管在浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中浸泡1h，抽滤水洗至中性，烘干备用；2）将8gNiCl2·6H2O溶于含有6gCNT的100mL去离子水中，超声30min，滴加氨水，调节溶液pH为9-10，待充分混合后用去离子水和乙醇分别冲洗黑色沉淀物3次，在95℃下干燥24h，以氮气为保护气，在400℃下煅烧2h，升温速率为2℃/min，得到NiO-CNT复合材料作为空气阴极催化剂；3）称取一定量碳黑于烧杯，加入适量乙醇，超声30min，慢慢滴入PTFE（每0.5g对应0.1mL的PTFE），超声1h均匀混合，用作扩散层，在80℃下烘干至面团状，用擀面杖擀成薄膜，用对辊机将薄膜和不锈钢压成0.4mm厚度的平板，在340℃下加热25min，取NiO-CNT复合材料于烧杯，加入适量乙醇，超声30min，慢慢滴入PTFE（每0.5g对应0.1mL的PTFE），超声1h均匀混合，在80℃下烘干至面团状，用擀面杖擀成薄膜，用对辊机将薄膜和上一步压制好的不锈钢压制，得到厚度为0.6mm的空气阴极。实施例本专利技术中主要配水为1.000g/LC6H12O6、0.310g/LNH4Cl、4.264g/LNaH2PO4、9.152g/LNa2HPO4以及金属微量元素及维生素。其进水COD浓度为（1000±2）mg/L，氨氮浓度为（80±0.5）mg/L，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法，其特征在于通过单室空气阴极微生物燃料电池实施，其主要步骤如下：1）微生物燃料电池的启动本专利技术采用单室空气阴极立方体反应器，顶端设有方便取水注水的开口，阴极置于末端略微凹陷处，阳极碳纤维刷于反应器顶端1.5 cm的孔插入，并用橡胶塞密封保持系统密闭，两个电极间距约为1 cm，电极与导线由铜片相连，外接电阻为1000Ω，MFC反应器放置于恒温培养箱中，温度设置为30℃，本专利技术取厌氧污泥作为接种泥，接种时向反应器加入10 mL厌氧污泥和10 mL营养液，待MFC组装完成，通过反应器上方注水口接通氮吹仪10min，构建反应器内的厌氧环境；2）微生物燃料电池的运行反应器在运行期间处于厌氧环境中，只在更新阳极液的时候打开活塞，启动期间水力停留时间为12 h，然后人工更换培养液，微生物驯化时间为60天；3）投加头孢他啶后微生物燃料电池的运行在第61天向反应器投加0.1mg/L头孢他啶，水力停留时间为12h，然后人工更换培养液，微生物驯化时间为30天。

【技术特征摘要】
1.一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法，其特征在于通过单室空气阴极微生物燃料电池实施，其主要步骤如下：1）微生物燃料电池的启动本发明采用单室空气阴极立方体反应器，顶端设有方便取水注水的开口，阴极置于末端略微凹陷处，阳极碳纤维刷于反应器顶端1.5cm的孔插入，并用橡胶塞密封保持系统密闭，两个电极间距约为1cm，电极与导线由铜片相连，外接电阻为1000Ω，MFC反应器放置于恒温培养箱中，温度设置为30℃，本发明取厌氧污泥作为接种泥，接种时向反应器加入10mL厌氧污泥和10mL营养液，待MFC组装完成，通过反应器上方注水口接通氮吹仪10min，构建反应器内的厌氧环境；2）微生物燃料电池的运行反应器在运行期间处于厌氧环境中，只在更新阳极液的时候打开活塞，启动期间水力停留时间为12h，然后人工更换培养液，微生物驯化时间为60天；3）投加头孢他啶后微生物燃料电池的运行在第61天向反应器投加0.1mg/L头孢他啶，水力停留时间为12h，然后人工更换培养液，微生物驯化时间为30天。2.按照权利要求1所述的一种基于MFC技术处理水中低浓度头孢他啶并产电的方法，其特征在于，所述微生物燃料电池阳极的制作及预处理方法，步骤如下：将碳纤维丝和直径为1mm的钛丝加工成碳纤维刷，碳纤维刷长2.5cm，直径为1.5cm，预处理过程为：首先用1mol/L的HCl溶液浸泡5h，去除杂质离子，再用1mol/L的NaOH浸泡5h，用去离子水超声清洗至中性，并用去离子水煮3h，每隔30min更换一次水；最后使用马弗炉在350℃下加热30min备用。3.按...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡翔，丁予涵，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11