申请日2018.04.17
公开(公告)日2019.02.05
IPC分类号C02F3/34; H01M8/16; C02F1/30
摘要
本实用新型公开了一种光催化‑微生物燃料电池污水处理复合装置，在微生物燃料电池系统的阳极室中设置双阳极电极，一个是半导体光催化阳极，一个是微生物燃料电池阳极，它们以并列形式同时通过外负载电路连接阴极室的阴极。本实用新型通过光催化阳极成功转化光能，有效利用太阳光，并与阳极电活性微生物和谐共存，强化了阳极室对有机污染物的处理能力，半导体矿物光电子与微生物胞外电子同时传递到阴极室，进一步提升了阴极室对含重金属离子废水的处理能力，协同提高了有机无机废水处理效率。并且该污水处理复合装置稳定性高，易维护，易改造，拥有广阔的应用空间。
权利要求书
1.一种光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，包括微生物燃料电池系统，该微生物燃料电池系统具有阳极室和阴极室，其特征在于，所述阳极室中具有双阳极电极，一个是半导体光催化阳极，一个是微生物燃料电池阳极，它们以并列形式同时通过外负载电路连接阴极室的阴极。
2.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述阳极室的侧壁上部设进水口，下部设有出水口。
3.如权利要求2所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，在进水口和出水口之间设置有待处理污水的定量输送系统。
4.如权利要求3所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述定量输送系统包括集液瓶、蠕动泵和管道。
5.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述阳极室和阴极室之间由质子膜隔开。
6.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述污水处理复合装置还包括光源系统，所述光源系统是模拟日光光源的系统或太阳光汇聚模块。
7.如权利要求6所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述模拟日光光源的系统是发出可见光的LED光源。
8.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述半导体光催化阳极是TiO2/Fe2O3复合半导体材料负载于FTO电极表面形成的复合电极。
9.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述微生物燃料电池阳极为接种了微生物的碳毡电极。
10.如权利要求1所述的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其特征在于，所述阴极为石墨电极。
说明书
一种光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置
技术领域
本实用新型涉及有机无机水质污染物处理技术领域，具体涉及一种复合半导体光催化阳极和微生物燃料电池的双阳极协同系统的低能耗废水高效处理装置。
背景技术
环境问题是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题之一，水质改善及其对安全保障的需求，始终都是水处理科学与技术的根本追求。伴随现代工业化快速发展，有机废水与重金属废水对自然环境造成了巨大破坏作用。近年来作为一门新兴的能源技术，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)以其独特的通过生物电化学途径实现化学能和电能之间转换的特点引起包括污水处理及生物产电等诸多领域的广泛关注。虽然各领域学者对其反应器构型、阴阳极材料、电解质、微生物种群等各方面开展了广泛研究，其依旧存在输出电压较低等问题，限制了其实际应用能力。除MFC技术外，另一项技术也在环境治理方面得以广泛应用。光催化以其室温条件下可直接利用光能作为光源来驱动反应等独特性能，成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。在此基础上光催化以及光电催化在偶氮染料、芳香化合物等有机污染物等环保领域取得迅猛发展。借助各种半导体材料的光催化方法能将多种有机污染物彻底矿化去除，提供了被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。
虽然两种新技术在各自领域都进行了相关研究，取得了长足进步。然而目前以紫外-TiO2为代表的光催化及光电催化在杀菌过程中得以广泛应用，使得其与微生物燃料电池两个看似相矛盾的领域少有交集出现。虽然金红石等半导体矿物材料以及合成材料在微生物阴极已有研究，但半导体光催化阳极-微生物燃料电池联用研究极为少见，构建和谐的光催化阳极微生物燃料电池装置极具吸引力。如何进行多技术联用，构建新型微生物燃料电池高效处理有机/重金属废水，是微生物燃料电池主要发展方向之一，其具有极大发展潜力。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种易制备、成本低廉、结构简单、可重复利用的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，其能够高效转化光能，可实现有机废水与含重金属离子无机废水同时处理，且该装置的阳极材料、微生物种群、装置构型等皆可进一步优化改进，实现高效廉价污水处理的新型微生物燃料电池处理装置。
本实用新型提供的光催化-微生物燃料电池污水处理复合装置，包括微生物燃料电池系统，该微生物燃料电池系统具有阳极室和阴极室，其特征在于，所述阳极室中具有双阳极电极，一个是半导体光催化阳极，一个是微生物燃料电池阳极，它们以并列形式同时通过外负载电路连接阴极室的阴极。
进一步的，上述污水处理复合装置中，所述阳极室的侧壁上部设进水口，下部设有出水口。在进水口和出水口之间设置有定量输送系统，将待处理的污水输送到阳极室。所述定量输送系统包括集液瓶、蠕动泵和管道等。
所述污水处理复合装置的阴极直接与大气相连通，含重金属离子的污水可以直接加入阴极室，待重金属离子还原后，含无机重金属离子废水得以有效处理，可替换为新污水持续处理。所述阳极室和阴极室之间由质子膜隔开。
所述污水处理复合装置还包括光源系统，所述光源系统可以是模拟日光光源的系统，或者是太阳光汇聚模块。模拟日光光源的系统例如发出可见光的LED光源，相比于紫外灯、氙灯等光源产生系统，LED光源节省了能耗，优化了反应条件。而太阳光汇聚模块可直接实现太阳光的利用。
上述污水处理复合装置中，所述半导体光催化阳极的材料可以是通过简单热液法制备的对可见光具有良好吸收能力的TiO2/Fe2O3复合半导体材料，其负载于FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)电极表面，形成复合电极。复合电极中Fe2O3与阳极室溶液直接接触，较之TiO2，Fe2O3更为温和，其消除了TiO2对微生物的光催化损伤作用;同时Fe2O3(2.0-2.2eV)禁带宽度小于TiO2(3.2eV)，复合电极拓宽了日光光谱吸收范围，更好地转化光能。
上述污水处理复合装置中，所述微生物燃料电池阳极可选用碳毡电极材料，微生物接种自实验室稳定运行的土壤微生物燃料电池，其不限于特定微生物，可接种自活性污泥、土壤、湖泊底泥等各种微生物。阴极电极材料可选用廉价的石墨电极，但并不限于石墨板，可以为多孔碳布、不锈钢网、多孔石墨板等多种材料，极大地降低了成本。
本实用新型的技术优势主要有三点：一为构建了新型双阳极微生物燃料电池，光催化阳极成功转化光能，实现了太阳光的有效利用;二是光催化复合电极性质稳定，其与阳极电活性微生物和谐共存，在未损伤阳极室微生物条件下强化了阳极室对有机污染物的处理能力;三是双阳极的设置使得半导体矿物光电子与微生物胞外电子同时传递到阴极室，进一步提升了阴极室中含重金属离子废水的处理能力，协同提高了有机无机废水处理效率。同时，本实用新型的污水处理复合装置稳定性高，易维护，且加之目前微生物燃料电池种类繁多，可对其进行相应改造的潜力，进一步提升微生物燃料电池在污染物处理方面应用，拥有广阔的应用空间。
