专利名称：同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护水处理、应用化学和新能源领域，具体涉及一种同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统。
背景技术：
微生物燃料电池技术能够将污水中有机物所含的能量转换成电能收集起来。但目前微生物燃料电池技术在依靠阳极产电微生物处理污水的同时，阴极往往是将氧气还原成水，总的反应是有机物被氧气氧化成了水和二氧化碳。随着能源危机及清洁能源的需求增加，氢气作为一种高热值的清洁能源物质而备受人们关注，它的各种制备技术如太阳能光解水法、微生物发酵法、生物质超临界气化、石油裂解等也引起了人们的注意。但从污水中提取氢能的技术却很少报道，由于污水中有机物在阳极被氧化的电位显示一定的负值，而在同样条件下阴极析出氢气的电位也偏负，该反应不能自发发生，要想提取出污水中有机物质中的氢气需要施加额外的能量。因此有人将污水中的能量通过微生物电解池技术以氢气的形式提取出来，微生物电解池需要额外施加电能即在阴阳极之间施加一个偏压，实现污水处理与产氢。通过输入太阳光能，也是一种向系统施加能量的方式。生物阳极氧化污水中的有机污染物，产生质子于电子，而光阴极通过吸收太阳光产生空穴和电子，生物阳极产生的电子通过外电路与光阴极产生的空穴结合输出电能，而光阴极产生的电子则与水反应产生氢气。该反应可自发发生，向外输出电能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，为水处理技术提供一种简单、方便、高效的处理装置。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括电解池以及设置在电解池内将电解池分为阳极室和阴极室的离子交换膜，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和光阴极，阳极与光阴极通过导线与电阻相连接，光阴极侧的一面设置有完全透光的石英玻璃窗口，阳极由产电微生物及阳极基底组成，光阴极采用具有太阳光响应的半导体材料，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有电解质溶液。所述的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、炭纸、玻璃碳、炭黑或石墨。所述的含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白质等可生化降解有机物的废水。所述的具有太阳光响应的半导体材料为铁酸钙、硫化镉、硫化锌、二氧化钛或掺杂
二氧化钛。所述的电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、氯化钠、氯化钾、氯化钙、磷酸钠、磷酸钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾溶液中的一种或多种溶液组成。
所述的离子交换膜采用只允许阴离子或者只允许阳离子通过的离子交换膜。所述的电解池采用有机玻璃或玻璃制成。本发明由离子交换膜隔开的阳极室和阴极室。阳极为附着的产电微生物，阳极室盛有污水；而阴极为具有可见光响应的半导体光电极，阴极室盛有导通离子用的电解质水溶液。在同一个光电化学池内，污水中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子通过电解质转移到阴极而被光阴极还原成氢气，电子通过外电路传导到阴极，产生电能。
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图1，本发明包括电解池1以及设置在电解池1内将电解池分为阳极室7和阴极室8的只允许阴离子或者只允许阳离子通过的离子交换膜6，在阳极室7和阴极室8内分别设置有阳极2和光阴极4，阳极2与光阴极4通过导线与电阻3相连接，电解池1由有机玻璃制成，为了完全透过太阳光，光阴极4侧的一面设置有完全透光的石英玻璃窗口 5，阳极2 由产电微生物及阳极基底组成，产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、炭纸、玻璃碳、炭黑或石墨，此类阳极基底能使产电微生物附着并能将微生物氧化有机物产生的电子转移到外电路。光阴极4采用具有太阳光响应的半导体材料铁酸钙、硫化镉、 硫化锌、二氧化钛或掺杂二氧化钛，所述的阳极室7内盛放有含有机污染物的污水，含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白质等可生化降解有机物的废水，阴极室8内盛放有硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、氯化钠、氯化钾、氯化钙、磷酸钠、磷酸钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾溶液中的一种或多种溶液组成的电解质溶液。实施例1 以炭布作阳极基底，碳布上预先采用微生物燃料电池的阳极培养方法附着了产电微生物，沉积在ITO玻璃上的铁酸钙作光阴极，以阳离子交换膜将电解池隔成阴极室和阳极室，阳极室为圆柱形上留一小孔作为取样检测用，尺寸为直径2cm长3cm，装满含有乙酸钠的废水约20mL，COD为1249mg/L ；阴极室也为圆柱形上有一孔作为取样检测用，尺寸同阴极室，只是在端面开有一石英玻璃窗口，以保证光线照射，装满0. IM硫酸钠水溶液。阴极和阳极通过一个10欧姆的电阻用导线连接。整个装置置于光照培养箱内，以模拟太阳光照射及保证适宜的微生物生长温度，检测电阻两端的电压，稳定时约为10mV，经过约20h的处理，电阻两端电压降为0. lmV，放出电能约为0. 7焦耳，同时检测阳极室废水COD 和阴极室氢气的量，阳极室COD降为约250mg/L，C0D被去除了 80%。而阴极室中氢气的量约为 200umol。实施例2 以炭布作阳极基底，碳布上预先采用微生物燃料电池的阳极培养方法附着了产电微生物，沉积在ITO玻璃上的铁酸钙作光阴极，以阳离子交换膜将电解池隔成阴极室和阳极室，阳极室为圆柱形上留一小孔作为取样检测用，尺寸为直径2cm长3cm，装满约20mL浓度为约400mg/L COD的生活污水；阴极室也为圆柱形上有一孔作为取样检测用，尺寸同阴极室，只是在端面开有一石英玻璃窗口，以保证光线照射，装满0. IM硫酸钠水溶液。阴极和阳极通过一个5欧姆的电阻用导线连接。整个装置置于光照培养箱内，以模拟太阳光照射及保证适宜的微生物生长温度，检测电阻两端的电压，稳定时约为6mV，经过 20h的处理，电阻两端电压降为0. lmV，合计放出电能约0. 4焦耳，同时检测阳极室废水COD 和阴极室氢气的量，阳极室COD为100mg/L，C0D被去除了约75%。而阴极室中氢气的量约为 300umolo 通过本发明的实施，可以实现同时在阳极室处理污水和在阴极室产生氢气并向外电路输出电能的效果。
权利要求
1.同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于包括电解池(1)以及设置在电解池(1)内将电解池分为阳极室(7)和阴极室(8)的离子交换膜(6)，在阳极室 (7)和阴极室⑶内分别设置有阳极(2)和光阴极，阳极(2)与光阴极⑷通过导线与电阻C3)相连接，光阴极(4)侧的一面设置有完全透光的石英玻璃窗口(5)，阳极O)由产电微生物及阳极基底组成，光阴极(4)采用具有太阳光响应的半导体材料，所述的阳极室 (7)内盛放有含有机污染物的污水，阴极室(8)内盛放有电解质溶液。
2.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的产电微生物由厌氧颗粒污泥驯化得到，阳极基底为炭毡、炭布、炭纸、玻璃碳、 炭黑或石墨。
3.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的含有机污染物的污水为含乙酸盐、葡萄糖、淀粉、氨氮或蛋白质等可生化降解有机物的废水。
4.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的具有太阳光响应的半导体材料为铁酸钙、硫化镉、硫化锌、二氧化钛或掺杂二氧化钛。
5.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的电解质溶液为硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、氯化钠、氯化钾、氯化钙、磷酸钠、磷酸钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾溶液中的一种或多种溶液组成。
6.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的离子交换膜采用只允许阴离子或者只允许阳离子通过的离子交换膜。
7.根据权利要求1所述的同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，其特征在于所述的电解池(1)采用有机玻璃或玻璃制成。
全文摘要
同时产电、产氢及污水处理的微生物光电化学系统，包括电解池以及设置在电解池内将电解池分为阳极室和阴极室的离子交换膜，在阳极室和阴极室内分别设置有阳极和光阴极，阳极与光阴极通过导线与电阻相连接，光阴极侧的一面设置有完全透光的石英玻璃窗口，阳极由产电微生物及阳极基底组成，光阴极采用具有太阳光响应的半导体材料，所述的阳极室内盛放有含有机污染物的污水，阴极室内盛放有电解质溶液。本发明在同一个微生物光电化学池内，污水中有机污染物被阳极上附着的产电微生物氧化成二氧化碳，同时释放出电子和质子，质子通过电解质转移到阴极而被光阴极还原成氢气，电子通过外电路传导到阴极，产生电能。
文档编号C25B1/10GK102329006SQ201110213719
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者宋扬, 杨涛, 王云海, 王白石, 陈庆云, 顾昕 申请人:西安交通大学