本发明专利技术提供了一种双阴极光催化微生物燃料电池高效去除污染物的装置，属于水污染处理与能源利用技术领域。该装置包括反应器本体，采用质子交换膜将反应器本体分成阴极室和阳极室，阴极室设置有PANI/CP/CuFe2O4光电阴极及氧还原空气阴极，光照面为石英玻璃，外侧设置有光源，循环系统贯穿阴极室。阳极室碳刷通过导线经过外部电阻与阴极相连形成电池。光照条件下，PANI/CP/CuFe2O4光电阴极与空气阴极原位产生的H2O2发生非均相光电芬顿反应，高效降解污染物同时提高产电量。本发明专利技术使用的光电阴极可以解决电子空穴复合率高、粉末催化剂难回收的问题。本系统采用双阴极，能够实现原位H2O2持续产生，保证污染物去除率，具备控制简单、能源利用率高等优势。能源利用率高等优势。
【技术实现步骤摘要】
一种双阴极光催化微生物燃料电池高效去除污染物的装置
[0001]本专利技术属于水污染处理与能源利用
，具体涉一种双阴极微生物燃料电池装置及 CF/聚苯胺/CuFe2O4光电阴极的制备，耦合微生物和双阴极协同降解水体污染物且产生电能，采用循环系统，用于连续去除污染物，这是一种同时实现废物消除和能源回收的经济选择。
技术介绍
[0002]随着工业化的快速发展和人口的增长，大量的化石燃料、抗生素和药物被过度消耗，导致大量工业和生活垃圾被排放到环境中，带来了许多环境问题，如持久性有机污染(POPs)和由药品和个人护理产品(PPCPs)造成的水污染。所以加强水体新兴污染物控制和高效治理刻不容缓。一方面需要研发高效催化材料，提高净水处理效率，另一方面加强耦合技术研究，促进能源回收和资源化利用。
[0003]微生物燃料电池(MFC)已成为一种可持续技术，其可利用微生物作为催化剂来实现污染物去除并通过有机物质的氧化还原反应发电。但是，现有微生物燃料电池尚存在高成本和相对较低的整体性能。为了优化这些缺陷，引入了光照来增强MFC的性能，利用太阳能被认为是解决环境和能源危机的有效方法。近年来，将光催化剂引入微生物燃料电池以提高 MFC产电效率的研究逐渐增多，然而，目前很少有研究将非均相光电芬顿阴极应用于微生物燃料电池中。同时非均相芬顿反应需要额外添加过氧化氢，提高了操作成本。采用空气阴极原位产生过氧化氢，这将降低操作成本。同时为了避免产过氧化氢与Fe(III)还原反应产生电子竞争，因此设计双阴极系统，保证生产过氧化氢速率及Fe(III)还原反应速率。在光催化微生物燃料电池中，原位产生过氧化氢与非均相光电芬顿反应耦合同时提高产电效率的研究未见报道。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双阴极光催化微生物燃料电池高效去除污染物的装置。
[0005]本专利技术的第二个目的是提供一种新型碳布/聚苯胺/CuFe2O4微生物燃料电池光电阴极电极材料及制备方法。
[0006]本专利技术的第三个目的是提供一种光催化微生物燃料电池高效去除水体污染物同时提高产电性能的方法。
[0007]本专利技术的技术方案概述如下：
[0008]一种双阴极光催化微生物燃料电池高效去除污染物的装置，包括反应器本体20，采用质子交换膜16将反应器本体分成阴极室5和阳极室3；反应器阴极室5的外侧设置有光源13，所述光源可以为任意光源；循环系统贯穿阴极室，在阴极室进水口8的连接管上设置有第一阀门10；阴极室出水口9的连接管上设置有蠕动泵15，水体检测器19和第二阀门14；反应器光电阴极面为石英玻璃6，用于光电阴极7接收光照；光电阴极7与阳极碳刷2通过导
线及电阻一11相连；空气阴极4与阳极碳刷2通过导线及电阻二12相连，所述电阻为10～10000 Ω；阳极室进水口17和阳极室出水口18用于阳极液更换，微生物1生长在碳刷2上；
[0009]所述光催化阴极7用下述方法制成：
[0010](1)PANI/CP电极是通过循环伏安法电沉积方法制造的。简而言之，将CP浸入含有0.1～1 M苯胺单体和0.5～2M硫酸的混合溶液中；苯胺在CP上聚合，在标准三电极体系中采用CV 电沉积工艺，使用CP、Pt板和饱和甘汞电极分别作为工作电极、对电极和参比电极，电位范围为
‑
0.2～1.0V，扫描速率为10～50mV/s，扫描段为2～20个周期；
[0011]所述PANI为聚苯胺的简写；所述CP为导电基材碳纸的简写；
[0012](2)PANI/CP/CuFe2O4光电阴极是通过典型的溶热法合成的。简而言之，将1.35～6.75gFeCl3和0.426～2.13g CuCl2混合物溶解在40～80mL乙二醇中以形成澄清溶液，然后混合 3.6～7.2g柠檬酸钠和1.0～2.0g聚乙二醇10000。剧烈搅拌10～30分钟后，将混合物和上述 PANI/CP电极转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，并在180～200℃下保持6～8小时，使用蒸馏水洗涤并在真空烘箱中在50～80℃干燥。
[0013]所述空气阴极4用下述方法制成：
[0014]硫氯掺杂氮碳化合物制备方法如下：
[0015]按比例，将0.1g～1g硫脲和0.081g～0.3g柠檬酸钠均匀混合并在研钵中研磨5～10分钟；将混合物转移到衬有聚四氟乙烯的高压釜中，该高压釜中装有0.1～0.5mL HCl和去离子水至高压釜容量的80％(100mL)，并在干燥箱中150～180℃加热1～3小时；自然冷却后，将得到的淡黄色溶液用乙醇洗涤，12000rpm离心3次，将制备好的样品用透析膜在纯水中透析24h，硫氯掺杂氮碳化合物通过透析溶液的冷冻干燥工艺获得。
[0016]空气阴极由催化层和气体扩散层组成，不锈钢网作为基体。催化层：称取0.5～4.8g炭黑、硫氯掺杂氮碳化合物0.1～1g和1.2～3.5g石墨分别分散到烧杯中的30～50mL乙醇中，在超声波浴中在室温下持续10～20分钟。将1～10g 60％PTFE乳液作为粘合剂缓慢添加到所述混合物中，将混合物在60～80℃搅拌以获得面团状糊状物，将糊状物滚压成0.2～0.5mm的催化层薄膜，然后在上述不锈钢网的一侧滚压至是一个平板；气体扩散层：4～10g的炭黑和 9～22.5g PTFE乳液的进行混合并辊压成0.2～0.5mm的薄膜，将气体扩散层滚到上述不锈钢网的另一侧，形成总厚度为0.4～1cm的空气阴极，然后在300～350℃加热10～30分钟后，形成最终空气阴极。
[0017]所述PTFE为聚四氟乙烯的简写。
[0018]一种双阴极微生物燃料电池去除污染物的方法，包括如下步骤：
[0019](1)使用上述一种双阴极微生物燃料电池高效去除水体污染物的装置；
[0020](2)按比例，在0.1L～1L模拟废水中放入0.1L～0.3L从污水处理厂获得的厌氧污泥与碳刷2得到阳极液3，放置3～8天，培养生物膜；
[0021](3)打开第一阀门10，通入含有污染物的水体，关闭第一阀门10，打开光源13，打开蠕动泵15，反应3～8小时；
[0022](4)用检测器19检测废水处理效果，当废水中污染物浓度低于0.01mg/L，关闭第一阀门10，打开第二阀门14，排放净化后水体。
[0023]本专利技术所用阳极模拟废水包括：1g/L的乙酸钠，0.02g/L的CaCl2，0.31g/L NH4Cl，4.576 g/L Na2HPO4，2.1323g/L Na2HPO4，0.021g/L MgSO4，余量为水。
[0024]本专利技术所用阴极污染物包括：抗生素，有机染料和药物。
[0025]本专利技术的优点：
[0026]本专利技术将光催化与MFC相结合，提高水体污染物的去除，同时光电阴极的引入可将光能转换为电能，降低装置电阻，因此提高整体设备发电量。本专利技术使用的光电阴极为新型碳布/聚苯胺/CuFe2O4，可以解决光吸收效率低的问题。聚本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种双阴极光催化微生物燃料电池高效去除污染物的装置，包括反应器本体(20)，采用质子交换膜(16)将反应器本体分成阴极室(5)和阳极室(3)；反应器阴极室(5)的外侧设置有光源(13)；循环系统贯穿阴极室，在阴极室进水口(8)的连接管上设置有第一阀门(10)；阴极室出水口(9)的连接管上设置有蠕动泵(15)，水体检测器(19)和第二阀门(14)；反应器光电阴极面为石英玻璃(6)，用于光电阴极(7)接收光照；光电阴极(7)与阳极碳刷(2)通过导线及电阻一(11)相连；空气阴极(4)与阳极碳刷(2)通过导线及电阻二(12)相连，所述电阻为10～10000Ω；阳极室进水口(17)和阳极室出水口(18)用于阳极液更换，微生物(1)生长在碳刷(2)上。2.根据权利要求1所述的光电阴极(7)其特征在于制备方法如下：(1)制备PANI/CP电极：按比例，将CP浸入含有0.1～1M苯胺单体和0.5～2M硫酸的混合溶液中；苯胺在CP上聚合，在标准三电极体系中采用CV电沉积工艺，使用CP、Pt板和饱和甘汞电极分别作为工作电极、对电极和参比电极，电位范围为
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0.2～1.0V，扫描速率为10～50mV/s，扫描段为2～20个周期；所述PANI为聚苯胺的简写；所述CP为导电基材碳纸的简写；(2)制备PANI/CP/CuFe2O4光电阴极：按比例，将1.35～6.75g FeCl3和0.426～2.13g CuCl2，的混合物溶解在40～80mL乙二醇中以形成澄清溶液，然后混合3.6～7.2g柠檬酸钠和1.0～2.0g聚乙二醇10000；剧烈搅拌10～30分钟后，将混合物和上述PANI/CP电极转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，并在180～200℃下保持6～8小时，使用蒸馏水洗涤并在真空烘箱中在50～80℃干燥。3.根据权利要求1所述空气阴极(4)其特征在于制备方法如下：空气阴极由催化层和气体扩散层组成，不锈钢网作为基体；催化层：称取0.5～4.8g炭黑、硫氯掺杂氮碳化合物0.01～0.5g和1.2～3.5g石墨分别分散到烧杯中的30～50mL...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宪华，戴业欣，刘淼，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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