一种改性阳极双室微生物燃料电池处理页岩气返排废水的新方法技术

一种改性阳极双室微生物燃料电池处理页岩气返排废水的新方法，属于无机环境材料和废水资源化利用技术领域。本发明专利技术先制备出不同的材料作为阳极催化剂，构建了双室微生物燃料电池(MFC)，利用污水处理厂好氧活性污泥培养得到的厌氧活性污泥作为阳极液，稳定数周期后，将阳极室厌氧污泥更换为页岩气返排废水，在室温和恒压下运行MFC，可去除混合废水中的有机污染物，同时还可回收电能。本发明专利技术方法设备简单、操作方便、节能、无二次污染。在阳极催化剂为Ni

【技术实现步骤摘要】
一种改性阳极双室微生物燃料电池处理页岩气返排废水的新方法


[0001]本专利技术涉及一种用于改性阳极双室微生物燃料电池处理页岩气返排废水的新方法，属于无机环境材料和废水资源化利用


技术介绍

[0002]随着社会的不断发展，世界各个地区对能源需求日益增长。页岩气作为一种重要的非常规天然气，已成为全球油气资源勘探开发的热点。截止2022年，中国页岩气产量达到240亿立方米，预计2040年将成为仅次于美国的世界第二大页岩气生产国。目前常见的开采技术为水力压裂技术，开采过程中每口气井需水量为19000m3，同时会导致40％～60％的压裂液返渗到地表形成返排废水。页岩气返排废水成分复杂，其具有高盐、化学物质成分和性质复杂、环境毒性大等特点，被认为是污染地表水的最大风险。目前处理页岩气返排废水的主要方法有絮凝、膜过滤、热处理、高级氧化、生物处理技术等。如，“环境工程”2021年第7期“混凝
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臭氧/吸附
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超滤
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反渗透组合工艺对页岩气返排液水质净化效能分析”(对比文件1)中，采用混凝
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臭氧/吸附
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超滤
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反渗透多种组合工艺处理返排废水中难降解的有机物，尽管对废水中的二甲基苄胺、吲哚啉和6
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甲基喹啉的去除效果较好，但存在以下问题：(1)工艺流程非常复杂，处理成本高，难以实际利用；(2)废水为静置预处理的上清液，且未对废水中COD去除进行研究，无法从环保角度判断处理效果，难以确定处理后废水的去向；(3)未开展资源化利用。
[0003]处理难降解高浓度有机废水的发展趋势逐渐以生物技术为主流，其中，微生物燃料电池(MFC)作为一种绿色可持续技术，因耗能低、经济性好以及资源化利用率高而倍受关注。该技术能够将有机污染物分子的化学能通过微生物代谢反应转化为电能，同步实现产电与废水处理。与传统的方法相比，既环保，又实现了废水的资源化利用，被认为是一种非常具有发展前景的新型能源技术。如，“Water Research”2020年第185卷“The anodic potential shaped a cryptic sulfur cycling with forming thiosulfate in a microbial fuel cell treating hydraulic fracturing flowback water”(对比文件2)，在MFC中通过电极电位控制，调控硫循环，避免了MFC在处理合成页岩气返排废水期间产生大量硫化物，实现了有机污染物的高效去除。但该方法的不足之处在于：(1)废水中的悬浮固体需要经过前处理，流程较为繁琐；(2)采用的是模拟的页岩气返排废水，与实际废水相比成分较为单一，且COD的浓度较低，实际应用时参考价值不大。
[0004]目前尚未有利用双室微生物燃料电池处理实际页岩气返排废水的相关报道，本专利技术采用改性阳极双室微生物燃料电池，制备了磷化镍复合钴酸镍改性阳极催化剂Ni
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P/NiCo2O4，以实际页岩气返排废水作为处理对象，实现高效产电的同时对污染物具有去除效果，有应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种成本低廉、绿色环保的MFC技术处理页岩气返排废水的新方法，使得废水得到有效降解的同时，又能产电。
[0006]本专利技术提出页岩气返排废水的处理新方法如下：
[0007](1)碳布电极的制备
[0008]将裁剪为长3cm、宽2cm的碳布(CC)浸入无水乙醇中，超声清洗15min，再用去离子水洗涤碳布上残余溶液，将质量分数为10％的硝酸与质量分数为10％的硫酸按照体积比3:1混合得到混合酸溶液A1，将碳布置于混合酸溶液A1中浸泡5h，浸泡结束后再用去离子水洗净，并置于烘箱中干燥，干燥后的碳布放入马弗炉中，在300℃下焙烧4h，冷却后制得碳布电极CC。
[0009](2)NiCo2O4@CC电极的制备
[0010]将0.2908g硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)和0.5821g硝酸钴(Co(NO3)2·
6H2O)溶于100mL去离子水中，磁力搅拌15min使其均匀混合得到混合溶液A2，采用三电极体系，以制备的碳布电极为工作电极、银/氯化银(Ag/AgCl)电极为参比电极、铂电极为对电极，混合溶液A2为电解质，在
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3mA/cm2的电流密度下沉积900s后，用去离子水和无水乙醇分别冲洗工作电极数次后，置于60℃的烘箱中干燥10h得到前驱体，在1℃/min的升温速率下将前驱体置于300℃的马弗炉中煅烧2h，冷却后制得NiCo2O4@CC电极。
[0011](3)Ni
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P/NiCo2O4@CC电极的制备
[0012]称取0.0742g次磷酸钠(NaH2PO2·
H2O)、0.0588g柠檬酸钠(C6H5Na3O7·
2H2O)和0.4600g硫酸镍(NiSO4·
6H2O)溶于100mL去离子水中，在磁力搅拌下使其均匀混合得到混合溶液A3，采用三电极体系，以制备的NiCo2O4@CC为工作电极、Pt电极为对电极、银/氯化银电极为参比电极，以混合溶液A3为电解质，在20mV/s的扫速下扫描2圈，沉积电位为
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1V
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0V，工作电极沉积完成后，用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，置于60℃烘箱中干燥10h，即制得Ni
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P/NiCo2O4@CC电极。
[0013](4)质子交换膜预处理
[0014]将直径为4cm的质子交换膜(杜邦Nafion 117)浸泡于去离子水中使其充分湿润，接着转移至装有5％ H2O2的烧杯中于95℃下蒸煮1h，用去离子水超声洗净后放入装有0.5mol/LH2SO4溶液的烧杯中于95℃下蒸煮1h，之后用去离子水超声洗净，将处理后的质子交换膜浸泡于去离子水中备用。
[0015](5)双室微生物燃料电池的构建
[0016]选取有机玻璃构建H型双室微生物燃料电池装置，装置如图1所示，阳极室和阴极室的有效容积均为800mL，并通过法兰(长50mm，直径30mm)连接，中间用质子交换膜隔开，除在装置上盖预留加料口和导线孔外，阳极室处于密封状态以保证其处于厌氧环境，阴极室处于半密封状态以防止阴极液蒸发太快，分别以制得的碳布电极CC、NiCo2O4@CC电极、Ni
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P/NiCo2O4@CC电极为阳极，制得的碳布电极CC为阴极，阴阳极均采用直径为0.5cm的钛丝连接到外电路，外接电阻为1000Ω，用并联的数据采集仪采集MFC电压数据。
[0017](6)双室微生物燃料电池的启动
[0018]将250mL培养好的厌氧污泥与250mL磷酸盐缓冲溶液(PBS,100mM)混合后作为阳极液，阴极液为500mL铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])磷酸盐缓冲液，含50mM铁氰化钾和50mM PBS。电<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性阳极双室微生物燃料电池处理页岩气返排废水的新方法，其特征在于包括以下步骤：(1)Ni
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P/NiCo2O4@CC电极的制备将裁剪为长3cm、宽2cm的碳布浸入无水乙醇中，超声清洗15min，再用去离子水洗涤碳布上残余溶液，将质量分数为10％的硝酸与质量分数为10％的硫酸按照体积比3:1混合得到混合酸溶液A1，将碳布置于混合酸溶液A1中浸泡5h，浸泡结束后再用去离子水洗净，并置于烘箱中干燥，干燥后的碳布放入马弗炉中，在300℃下焙烧4h，冷却后制得碳布电极CC；将0.2908g硝酸镍和0.5821g硝酸钴溶于100mL去离子水中，磁力搅拌15min使其均匀混合得到混合溶液A2，采用三电极体系，以制备的碳布电极为工作电极、银/氯化银电极为参比电极、铂电极为对电极，混合溶液A2为电解质，在
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3mA/cm2的电流密度下沉积900s，用去离子水和无水乙醇分别冲洗工作电极数次后，置于60℃的烘箱中干燥10h得到前驱体，在1℃/min的升温速率下将前驱体置于300℃的马弗炉中煅烧2h，冷却后制得NiCo2O4@CC电极；称取0.0742g次磷酸钠、0.0588g柠檬酸钠和0.4600g硫酸镍溶于100mL去离子水中，在磁力搅拌下使其均匀混合得到混合溶液A3，采用三电极体系，以制备的NiCo2O4@CC为工作电极、铂电极为对电极、银/氯化银电极为参比电极，以混合溶液A3为电解质，在20mV/s的扫速下扫描2圈，沉积电位为
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0V，工作电极沉积完成后，用去离子水和无水乙醇分别洗涤数次，置于60℃烘箱中干燥10h，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐龙君，谭文雯，刘成伦，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：