申请日2017.04.07
公开(公告)日2017.08.04
IPC分类号C02F3/00; C02F3/34; H01M8/16
摘要
一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，涉及一种处理废水的方法，本方法以碳布或碳毡为电极材料，采用杂多酸盐对纳米TiO2/SiO2质子交换膜进行处理，获得含水率较高、导电性能强化的质子交换膜表面。将上述系列材料用于微生物燃料电池反应装置处理糖蜜废水，以糖蜜废水为底物，获得了较高的产电量和较好的COD去除效果的微生物燃料电池体系。此微生物燃料电池体系工艺重复性好，安全可靠，在处理糖蜜废水的同时实现较高的产电量。经过杂多酸盐对纳米TiO2/SiO2质子交换膜进行处理用于微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺设计，有效的解决了以往微生物燃料电池产电效率低下，污水COD去除率低的问题，具有良好的工业化应用前景。
权利要求书
1.一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，其特征在于，所述方法用杂多酸盐对纳米TiO2/SiO2 质子交换膜进行处理，使其在纳米TiO2/SiO2 质子交换膜表面负荷;将处理过的复合膜用于微生物燃料电池反应器处理糖蜜废水; 其工艺步骤包括：
1)将Nafion膜首先浸泡在甲醇水溶液中，然后再浸泡在由硅酸乙酯、钛酸丁酯以及KH570组成的混合溶液中，恒温干燥制成纳米TiO2/SiO2 质子交换膜;
2)将纳米TiO2/SiO2 质子交换膜浸泡在由磷钼杂多酸季铵盐和硅钨杂多酸盐组成的混合溶液中，恒温干燥制成复合纳米TiO2/SiO2 质子交换膜;
3)磷钼杂多酸季铵盐和硅钨杂多酸盐，其特征在于，磷钼酸和NH4Cl 制成磷钼杂多酸季铵盐，硅钨酸和KOH 制成硅钨杂多酸盐;
4)生物燃料电池处理糖蜜废水：阳极液组成：0-100g河塘污泥、0-500ml糖蜜废水在恒温培养箱30oC下培养0-5天所得;阴极液组成：0-250mL铁氰化钾和氯化钠溶液;
5)微生物燃料电池的组装：外接电阻为0-99999欧姆，采用电压数据采集卡，微生物燃料电池质子交换膜的电化学活性测量采用电化学工作站进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，其特征在于，所述微生物燃料电池质子交换膜材料，质子交换膜的长度为2-10cm，宽度为2-10cm。
3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，其特征在于，所述导电基底材料为碳布或碳毡。
4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水 的工艺方法，其特征在于，所述硅酸乙酯、钛酸丁酯以及KH570，其溶液物质的量分别为10mmol，10mmol，21.2mmol。
5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，其特征在于，所述微生物燃料电池反应装置为双室混菌型微生物燃料电池反应器，以复合纳米TiO2/SiO2 质子交换膜分隔阳极室和阴极室。
说明书
一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种处理废水的方法，特别是涉及一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)是以微生物为阳极反应底物，将微生物中的化学能直接转化成电能的装置，产电的同时进行污水处理。虽然经过研究发展MFC的产电功率已大幅度提升，但还不足以满足实际应用。马双春等采用磷钼酸和硅钨酸，将Nafion膜制成杂多酸复合质子交换膜，使得MFC在室温时的电导率达到了5.71×10-6S/cm,为MFC的工业化应用提供了可能。但是若长时间运行，由于浸泡，杂多酸从膜中迁移出来，MFC性能显著下降，距离MFC实现工业化的差距仍然很大。MFC的产电过程包括底物于阳极室在微生物作用下被氧化分解产生电子、质子及代谢产物;产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面使电极还原;电子通过导线经由外电路传递到阴极;质子穿过质子交换膜转移至阴极室到达阴极表面;在阴极室中的氧化态物质与质子和电子发生还原反应。MFC在运行过程中电子不断产生、传递、流动形成电流，完成整个产电过程，污水中的有机物质被微生物氧化分解实现污水的处理，在产电的同时进行污水处理。
在MFC的运行过程中，质子交换膜起着传递质子的作用，保证整个产电过程的完整性。因此，质子交换膜的性能很大程度上影响MFC的性能。研究表明，现有的质子交换膜受温度影响较大，且安装在MFC上导电性能不算理想，极大的阻碍了MFC的发展应用，而通过溶胶凝胶法制备纳米TiO2/SiO2质子交换膜，纳米复合材料膜依靠纳米颗粒小尺寸和大比表面积的特点提高复合膜的保水能力。而杂多酸盐即是良好的无机质子导电材料，又不会由于长时间的浸泡从膜中迁移出来，大幅度的提升MFC的产电性能和净水性能。糖蜜废水中含有丰富的有机质等能量，湖底污泥中含有丰富的微生物群落，因此，用MFC处理糖蜜废水，研究以湖底污泥为阳极底物体系的产电性能，将有利于此体系中优势产电菌的发现和筛选。为MFC的发展做出更多的贡献。发明内容
本发明的目的在于提供一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，本发明以溶胶凝胶法处理Nafion质子交换膜，制成纳米TiO2/SiO2质子交换膜，再通过向纳米膜中引入两种杂多酸盐制成复合纳米TiO2/SiO2质子交换膜，处理以湖底污泥及糖蜜废水构建的阳极底物体系，及微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺构建，提高以湖底污泥为微生物源处理糖蜜废水的产电效率，COD去除率，获得高效产电和处理污水能力的微生物燃料电池体系及工艺。。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，所述方法用杂多酸盐对纳米TiO2/SiO2质子交换膜进行处理，使其在纳米TiO2/SiO2质子交换膜表面负荷;将处理过的复合膜用于微生物燃料电池反应器处理糖蜜废水; 其工艺步骤包括：
1)将Nafion膜首先浸泡在甲醇水溶液中，然后再浸泡在由硅酸乙酯、钛酸丁酯以及KH570组成的混合溶液中，恒温干燥制成纳米TiO2/SiO2质子交换膜;
2)将纳米TiO2/SiO2质子交换膜浸泡在由磷钼杂多酸季铵盐和硅钨杂多酸盐组成的混合溶液中，恒温干燥制成复合纳米TiO2/SiO2质子交换膜;
3)磷钼杂多酸季铵盐和硅钨杂多酸盐，其特征在于，磷钼酸和NH4Cl 制成磷钼杂多酸季铵盐，硅钨酸和KOH 制成硅钨杂多酸盐;
4)生物燃料电池处理糖蜜废水：阳极液组成：0-100g河塘污泥、0-500ml糖蜜废水在恒温培养箱30oC下培养0-5天所得;阴极液组成：0-250mL铁氰化钾和氯化钠溶液。
5)微生物燃料电池的组装：外接电阻为0-99999欧姆，采用电压数据采集卡，微生物燃料电池质子交换膜的电化学活性测量采用电化学工作站进行测量。
所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，所述微生物燃料电池质子交换膜材料，质子交换膜的长度为2-10cm，宽度为2-10cm。
所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，所述导电基底材料为碳布或碳毡;
所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，所述硅酸乙酯、钛酸丁酯以及KH570，其溶液物质的量分别为10mmol，10mmol，21.2mmol。
所述的一种微生物燃料电池处理糖蜜废水的工艺方法，所述微生物燃料电池反应装置为双室混菌型微生物燃料电池反应器，以复合纳米TiO2/SiO2质子交换膜分隔阳极室和阴极室。
本发明的优点与效果是：
微生物燃料电池作为新能源，在处理废水的同时产生电能。它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。在目前能源短缺，环境污染的前提下，若MFC实现工业化运行，必将带来很大的社会经济效益。但是由于各种因素的限制，例如产电效率低，材料昂贵等，MFC远没有实现商业化运行，目前只是停留在实验室研究阶段，本发明主要是利用溶胶凝胶法将Nafion膜制成纳米TiO2/SiO2质子交换膜,再通过引入良好的无机质子导电材料杂多酸盐,制成杂多酸盐纳米TiO2/SiO2质子交换膜。以微生物源丰富的湖底污泥为底物处理糖蜜废水，通过监测发电量，COD去除率等，观察改性后的质子交换膜对MFC性能的影响。以期获得产电率高、COD去除率好的微生物燃料电池体系。在兼顾发电和同步废水处理的双重目标基础上，为MFC运行的优化提供切实可行的理论依据，具有重要的科学意义和参考价值。
