公布日：2023.11.07
申请日：2023.08.10
分类号：C02F3/00(2023.01)I;C02F3/34(2023.01)I;H01M8/16(2006.01)I;C02F103/34(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,涉及化工废水处理的技术领域，包括如下步骤：对钒基储能介质部分进行准备、对微生物燃料电池部分进行准备、耦合系统的组装、实验运行、验参数调节和优化及数据分析和结果评估，本发明中钒基储能介质-微生物电池耦合系统结构设计可以实现废水净化和CO2还原两个功能，由于钒基储能介质的本征安全性和长寿命，可存储不稳定的低效的化学能，解决了微生物燃料电池的低效性与不稳定性问题，且钒基储能介质先作为电解池阴极，待电化学反应结束再作为原电池正极直接循环使用，节约了电极投入成本。该耦合系统利用钒基储能介质代替析氧(OER)反应，大大提高了能量效率。
权利要求书
1.一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,其特征在于：包括如下步骤：S1、对钒基储能介质部分进行相应的准备工作；S1.1、准备钒离子溶液：准备适量含有不同氧化态的V2+及V3+的钒离子溶液；S1.2、准备阳极和阴极：使用导电性良好的材料制备阳极和阴极，并将它们分别浸泡在阳极和阴极电解液中，通过离子交换膜将阴极和阳极隔开，阴极是负载高效二氧化碳还原催化剂，发生CO2还原反应生成甲酸，阳极是钒基可逆氧化还原电子对，发生钒储能介质的氧化反应；S1.3、连接电路：将阳极和阴极通过一个外部电路连接起来，形成一个闭合电路；S2、对微生物燃料电池部分进行相应的准备工作；S2.1、制备阳极和阴极：使用导电性良好的材料制备阳极和阴极，并将阳极表面涂覆上电子传递介质,阴极是钒基可逆氧化还原电子对；S2.2、准备微生物悬浮液：从适当的环境中采集微生物悬浮液；S2.3、组装微生物燃料电池：将阳极和阴极安装在一个密封的电解槽中，通过离子交换膜将阴极和阳极隔开，并连接一个外部电路，阳极废水中的有机污染物质发生氧化反应生成CO2，阴极发生钒储能介质的还原反应；S3、耦合系统的组装：将钒基储能介质和微生物燃料电池放置在同一个系统中，使它们能够共享同一个电解槽，确保两个系统之间有适当的链接，保障钒基可逆氧化还原电子对可以在微生物燃料电池和钒基储能介质切换，在以便电子和离子能够在它们之间传输；S4、实验运行：通过电荷计算，向微生物燃料电池中注入有机废水，以供微生物进行代谢反应，并将化学能转化为电能，同时将钒基储能介质中的钒离子溶液进行循环，在阳极和阴极之间储存电能，监测储能介质系统和微生物燃料电池的电化学指标，评估储能效率和稳定性；S5、验参数调节和优化：调整微生物燃料电池的温度、PH值及废水负荷的操作条件，以优化电池性能，并调节钒基储能介质中的钒离子浓度、循环速率和循环方式，以提高储能效率和稳定性；S6、数据分析和结果评估：对微生物燃料电池和钒基储能介质的实验数据进行分析，包括电流、电压、钒离子浓度参数的变化趋势和关联性，评估VEMS-MFC系统的储能性能、电化学稳定性以及与传统微生物燃料电池相比的优势和限制。
2.根据权利要求1所述的一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,其特征在于：步骤S1.2中阴极的材质为铜基或锡基纳米材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,其特征在于：步骤S2.1中的阳极和阴极材料为碳纸或碳布。
4.根据权利要求1所述的一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,其特征在于：步骤S2.1中阳极上涂覆的电子传递介质为碳毡。
5.根据权利要求1所述的一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,其特征在于：步骤S2.2中微生物悬浮液从厌氧污泥或土壤样品中进行采集。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法，以克服现有技术中的上述缺陷。
一种基于钒基储能介质-微生物燃料电池耦合的储能系统的废水处理方法,包括如下步骤：
S1、对钒基储能介质部分进行相应的准备工作；
S1.1、准备钒离子溶液：准备适量含有不同氧化态的V2+及V3+的钒离子溶液；
S1.2、准备阳极和阴极：使用导电性良好的材料制备阳极和阴极，并将它们分别浸泡在阳极和阴极电解液中，通过离子交换膜将阴极和阳极隔开，阴极是负载高效二氧化碳还原催化剂，发生CO2还原反应生成甲酸，阳极是钒基可逆氧化还原电子对，发生钒储能介质的氧化反应；
S1.3、连接电路：将阳极和阴极通过一个外部电路连接起来，形成一个闭合电路；
S2、对微生物燃料电池部分进行相应的准备工作；
S2.1、制备阳极和阴极：使用导电性良好的材料制备阳极和阴极，并将阳极表面涂覆上电子传递介质,阴极是钒基可逆氧化还原电子对；
S2.2、准备微生物悬浮液：从适当的环境中采集微生物悬浮液；
S2.3、组装微生物燃料电池：将阳极和阴极安装在一个密封的电解槽中，通过离子交换膜将阴极和阳极隔开，并连接一个外部电路，阳极废水中的有机污染物质发生氧化反应生成CO2，阴极发生钒储能介质的还原反应；
S3、耦合系统的组装：将钒基储能介质和微生物燃料电池放置在同一个系统中，使它们能够共享同一个电解槽，确保两个系统之间有适当的链接，保障钒基可逆氧化还原电子对可以在微生物燃料电池和钒基储能介质切换，在以便电子和离子能够在它们之间传输；
S4、实验运行：通过电荷计算，向微生物燃料电池中注入有机废水，以供微生物进行代谢反应，并将化学能转化为电能，同时将钒基储能介质中的钒离子溶液进行循环，在阳极和阴极之间储存电能，监测储能介质系统和微生物燃料电池的电化学指标，评估储能效率和稳定性；
S5、验参数调节和优化：调整微生物燃料电池的温度、PH值及废水负荷的操作条件，以优化电池性能，并调节钒基储能介质中的钒离子浓度、循环速率和循环方式，以提高储能效率和稳定性；
S6、数据分析和结果评估：对微生物燃料电池和钒基储能介质的实验数据进行分析，包括电流、电压、钒离子浓度参数的变化趋势和关联性，评估VEMS-MFC系统的储能性能、电化学稳定性以及与传统微生物燃料电池相比的优势和限制。
优选地，步骤S1.2中阴极的材质为铜基或锡基纳米材料。
优选地，步骤S2.1中的阳极和阴极材料为碳纸或碳布。
优选地，步骤S2.1中阳极上涂覆的电子传递介质为碳毡。
优选地，步骤S2.2中微生物悬浮液从厌氧污泥或土壤样品中进行采集。
本发明具有如下优点：
1、钒基储能介质-微生物电池耦合系统结构设计可以实现废水净化和CO2还原两个功能，通过原电池的微生物电极将废水中可溶性有机物氧化为CO2净化，产生的CO2可以收集并在电解池阴极还原，同时电解池阳极发生钒基储能材料氧化反应。
2、由于钒基储能介质的本征安全性和长寿命，可存储不稳定的低效的化学能，解决了微生物燃料电池的低效性与不稳定性问题，且钒基储能介质先作为电解池阴极，待电化学反应结束再作为原电池正极直接循环使用，节约了电极投入成本。
3、该耦合系统利用钒基储能介质(氧化还原电对/SSE电极)代替析氧(OER)反应，大大提高了能量效率。
（发明人：庞欢;夏峥）
