燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法

文档序号:6932289阅读:176来源:国知局
专利名称:燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法
技术领域
本发明涉及水处理工艺,尤其涉及一种采用微生物反应处理污水并产生电能的燃
料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法。
背景技术
随着国家或企业对绿色环保和节约资源等的需求,污(或废)水处理变得越来越 受到大众的重视。目前较为有效可行的污水处理通常采用生物处理方法。例如,传统的生 物处理工艺使用二次沉淀池来对污水进行处理。然而,在进行污水处理时,污水在经过生化 反应后,还需要经过二次沉淀池沉淀后才可排放,造成污水处理的过程较长。另外,采用二 次沉淀池的处理工艺占地面积大,投资成本高。尤其是当运行泥龄较高时,这会导致不良的 污泥沉淀性。因此,这种处理系统及工艺并不适宜用于人口密集的地域。
随着工业化生产的发展,重金属越来越弓|起人们的关注。随着环保要求的日益严 格,对含重金属废水处理的要求也越来越高,已不单纯局限于末端治理,而是向清洁生产转 化,要求实现废水净化回用的同时实现重金属的回收。目前已开发应用的含重金属废水处 理方法主要有化学法、物理化学法和生物法,包括化学沉淀、电解、离子交换、膜分离、活性 碳和硅胶吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。 一般的化学法处理含重金属废水时, 由于许多重金属废水中含有大量的有机络合物,限制了化学沉降过程,导致处理后的废水 重金属含量超标;处理过程投加酸碱药剂,操作复杂,成本难以控制,沉降污泥成分复杂,难 以处理,容易带来二次污染。生物处理法虽然具有成本低,处理方便的优点,但由于受废水 毒性的影响,很难大规模实现,且处理的效率低,效果较差。应用电化学法回收重金属的处 理方法,在电解过程中,溶液与电源的正负极接触并发生氧化还原反应,当对重金属废水进 行电解时,废水中的重金属离子在阴极得到电子而被还原,这些重金属或沉积在电极表面 或沉淀到反应槽底部,从而降低废水中重金属含量。 中国正面临快速发展与环境制约的突出矛盾,存在一些区域水环境中有机物和重 金属污染严重的状况。例如,珠江三角洲是重要的印刷电路板(PrintedCircuit Board, PCB)生产和出口基地,仅深圳就有PCB生产企业150余家,年生产能力1100万平方米以上, 在创造几百亿元产值的同时也产生大量含高浓度重金属及有机物的废液和废水。由于处理 方法落后,致使排放的废水含有铜、镍、铅等重金属离子,严重污染环境。因此,如何有效去 除铜、镍、铅等重金属离子的成为当前迫切需要解决的问题。

发明内容
有鉴于此,有必要提供一种结构简单、成本低、能充分利用阴极还原力的燃料电池 系统。 以及提供一种采用上述燃料电池系统进行污水处理产电及还原重金属的方法。
—种燃料电池系统,其包括生物反应器,所述生物反应器包括阴极室和阳极室,所 述阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极,所述阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物,所述阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔,所述阳极室内流通污水并通过其
内的微生物活性物对污水进行处理,所述阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属
离子还原,所述阳极室内产生质子和电子,所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极
室,使两极室在反应器内部电性连通,并使生物反应器处理污水的同时产生电能。 以及,一种污水处理产电及还原重金属的方法,其采用上述的燃料电池系统来进
行污水处理、产电及还原重金属,该方法包括以下步骤 将污水导入所述阳极室内; 将重金属离子溶液导入所述阴极室内; 通过所述阳极室内的微生物活性物对流经所述阳极室的污水进行处理,同时产生 质子和电子,所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室; 所述重金属离子溶液在所述阴极室内接受电子被还原,所述阳极室中产生的质子 通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室,使两极室在反应器内部电性连通,产生电能。
在上述技术方案中,所述阴极室内包含重金属离子溶液,并以其作为电子受体,从 而在污水处理和产电过程中不用鼓入氧气,整个燃料电池系统可省却传统所需的曝气装 置,从而,使得整个系统结构简单,成本低,进行污水处理和产电时,操作也较为简便。而且, 由于阴极室可以采用包含重金属离子的溶液作为阴极溶液,因此上述系统和方法不但可以 同时实现污水净化和产电,还可以将重金属离子还原,充分利用阴极还原力,从阴极溶液中 回收重金属。


图1是本发明实施例的燃料电池系统示意图。 图2是本发明实施例的污水处理产电及还原重金属的方法流程图。 图3是本发明的实施例1和2以及对比例中的微生物燃料电池(MFC)启动后电压
随时间变化曲线图。 图4是本发明的实施例l和2以及对比例中的MFC运行时的输出电压和功率随电 流强度的变化曲线图。 图5是本发明的实施例1和2以及对比例中的MFC运行时的阳极溶液和阴极溶液 里重金属离子浓度的变化曲线图。 图6是本发明的实施例1和2以及对比例中的MFC运行结束后石墨阴极的XRD图 谱。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。 请参阅图l,显示本发明实施例的燃料电池系统IO,该燃料电池系统10为一微生 物燃料电池系统,包括一生物反应器12,该生物反应器12包括阴极室13和阳极室14以及 分隔阴极室13和阳极室14的质子交换膜(PEM) 16。阴极室13和阳极室14内部分别设有 阴电极131和阳电极141。阴极室13和阳极室14内分别具有微生物活性物,用于对水流进行处理。质子交换膜16构成导通阴极室13和阳极室14的通道17。阳极室14内流通污水 并通过其内的微生物活性物对污水进行处理,例如,对污水内的有机物进行氧化处理,阳极 室14内产生质子和电子。阴极室13内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原, 阳极室14内产生的质子通过质子交换膜16迁移至阴极室13,使两极室在反应器内部电性 连通,并使生物反应器处理污水的同时产生电能。 反应器12可以采用透明材料如有机玻璃制成,以便于观察反应器12内的水位,但 不限于此。阴极室13具有阴极室入口 132和阴极室出口 133,阳极室14具有阳极室入口 142和阳极室出口 143。其中,各入口 132和142开设于各室靠近顶部的位置,各出口 133 和143分别开设于各室靠近底部的位置,从而使得阴极室13和阳极室14内的水流方向为 下向流式流动,并分别流经各自室内的电极。 两极室13和14内的阴电极131和阳电极141可采用石墨电极,每个石墨电极都 是以倾斜方式插入至对应极室内,倾斜可以是相对质子交换膜或水流流动方向成一定角 度,例如,石墨电极相对水平方向的倾斜角度大致在30-75度,优选为45-65度,更优选为60 度。其中,在阳极室14内设有两片石墨电极,它们交叉连接设置,相互电性连接,阴电极13 包括至少一片倾斜设置的石墨电极。两极室13和14可以采用矩形容器,此时,每个石墨电 极可以是由连接到容器的对角倾斜设置,即设置在容器的对角线上。在应用时,两极室13 和14内的石墨电极外端进一步连接一负载15。 本实施例中采用重金属离子溶液作为阴极溶液,接受电子,不需要鼓入氧气或空 气,因而,可不采用曝气装置。重金属离子溶液可以包含铜离子、锌离子、镍离子、铅离子、镉 离子或铬离子中的至少一种,但不限于上述离子种类。在一个具体实施例中,阴极室13内 进一步添加有缓冲溶液,例如磷酸盐溶液。该缓冲溶液是在导入重金属离子溶液之前加入 到阴极室13内,即延迟加入重金属离子溶液。此时,由于暂时未有大量的电子受体,可以先 利用一曝气装置(图未示)向阴极室13内鼓入氧气或空气,以暂时性地提供好氧环境。这 样运行一定时间后,再向阴极室13内导入重金属离子溶液。 在另一个具体实施例中,即使在阴极室13内添加有呈中性的缓冲溶液,也可以不
采用曝气装置进行鼓气,直接利用缓冲溶液进行预先运行水处理和产电过程,使得微生物
得到初步培养。这样运行一定时间后,再向阴极室13内导入重金属离子溶液。 请一并参阅图1和图2,说明利用本实施例的微生物燃料电池系统10进行污水处
理产电及还原重金属的方法,该方法包括以下步骤 S01 :将污水导入阳极室14内; S02 :将重金属离子溶液导入阴极室13内; S03 :通过阳极室14内的微生物活性物对流经阳极室14的污水进行处理,同时产 生质子和电子,质子通过质子交换膜16迁移至阴极室13 ; S04 :重金属离子溶液在阴极室13内接受电子被还原,阳极室14中产生的质子通 过质子交换膜16迁移至阴极室14,使两极室在反应器12内部电性连通,产生电能。
在步骤S01和S02中,本实施例的污水取自深圳市罗芳污水处理厂的厌氧污泥,将 其加入污水中驯化预定时间(如约24小时)后作为接种污泥。本实施例中作为试验,反应 器12内供给的底物为自配的葡萄糖有机污/废水。污水可利用一蠕动泵导入阳极室14内, 反应温度恒定在35士2t:。本实施例中,阴极室13内的重金属离子溶液采用重金属的硫酸
5盐溶液作为示例,硫酸盐溶液的浓度为0. lmol/L,实际应用时可根据需要采用其它重金属 离子溶液,并配成所需的浓度,或者直接取含重金属离子的污水/废水,并不限于此。
在步骤S03中,下向流动的水流经阳极室14,其内的微生物活性物对水流进行处 理,同时产生质子和电子。电子则经阳极141迁移出,进入外部电路。质子则渗透过质子交 换膜16迁移至阴极室13。 在步骤S04中,重金属离子溶液在阴极室13内接受电子被还原,该电子来自于外 部电路,例如通过具有负载15的外部通路。阳极室14中产生的质子通过质子交换膜16迁 移至阴极室14,使两极室在反应器12内部电性连通,在外部电路和内部电路都形成电性导 通,从而产生电能。 下面以试验为例,采用模拟废水,例如可取自深圳市罗芳污水处理厂的厌氧污泥, 将其加入污水中驯化24小时后作为接种污泥,重金属离子溶液以包含铜离子的硫酸铜溶 液为例。底物为葡萄糖水,其主要成分有(mg/L) :C6H12065000 ;CaCl2 275 ;NaCl 1000 ;NH4C1 400 ;NaHC03 3 0 00 ;同时还加入微生物生长所需的微量元素。另外,如图1所示,负载采用可 变电阻箱15 (电阻值范围在0 9999Q),电阻调整为1000 Q 。再利用一数据采集卡152 采集数据,每隔30秒记录一次电压数据,存入计算机。 操作时,在上述斜板MFC中接种驯化过的活性污泥100ml,并加入900ml模拟废水, 利用蠕动泵将模拟废水泵入阳极室14内,同样,将阴极溶液导入阴极室13内。在1000 Q 的外电阻负载下,测量输出电压随时间的变化曲线。 其中,每隔30秒通过数据采集系统记录反应器的输出电压(U),通过I 二U/R得到 电流。采取稳态放电极化曲线法测定表观外阻。TOC采用TOC分析仪(multiN/C3100)测 定;阴极溶液重金属离子浓度采用火焰原子吸收分光光度法测定。库伦效率E按照公式(1) 计算。 E=_^——Mxl00% (D 式中,"为ti时刻MFC输出电压;R为外电阻^为法拉第常数,9645C mo1—1 ;b
为微生物分解lmol TOC所产生的电子的摩尔数,等于4e—^ol mo1—1 ; A S为TOC的去除浓
度(g*L—",V是阳极溶液的体积(L),M为碳的分子量,等于12g'L—、 阴极还原物质成分分析日本理学,D/max 2500PC型高分辨X射线衍射仪,转靶,
18KW。 在具体的实施例中,阴极室13至少有两种进料方式,具体如下。
实施例1(M2) 在向阳极室14里加入900ml葡萄糖模拟废水和菌种混合液后,先往阴极室13里
加入900ml磷酸盐缓冲液(pH = 6. 8)并曝入氧气,运行24h后,再将缓冲溶液换成0. lmo1/
L的硫酸铜溶液。然后,再按照上述步骤S03-S04进行操作。在操作过程中,测量MFC输出
电压随时间变化,得到如图3中所示的圆形图标曲线,箭头表示往阴极室里加入硫酸铜溶
液的时间点。 实施例2 (M3) 在向阳极室14里加入900ml葡萄糖模拟废水和菌种混合液后,先往阴极室13里加入900ml磷酸盐缓冲液(pH = 6. 8)但不曝气,运行48h后再将缓冲溶液换成0. lmol/L 的硫酸铜溶液。然后,再按照上述步骤S03-S04进行操作。在操作过程中,测量MFC输出电 压随时间变化,得到如图3中所示的方形图标曲线,箭头表示往阴极室里加入硫酸铜溶液 的时间点。 对比例(Ml) 作为与上述两实施例的对比,进行如下进料方式。先向阳极室14里加入900ml葡 萄糖模拟废水和菌种混合液,同时往阴极室里加入900ml硫酸铜溶液然后,再按照上述步 骤S03-S04进行操作。在操作过程中,测量MFC输出电压随时间变化,得到如图3中所示的 三角形图标曲线,箭头表示往阴极室里加入硫酸铜溶液的时间点。 在上述实施例和对比例中,由图3可知,对比例启动的初始阶段由于阴极室没有 曝气,输出电压基本上一直仅50mv左右并缓慢增长,但5h后发现其输出电压开始持续下降 至OV。探究其原因,通过观察发现已有相当数量的铜离子透过PEM迁移到阳极室13使阳极 混合液呈浅蓝色,铜离子导致阳极微生物死亡,对比例启动失败。在实施例1中,阴极曝气 后产电上升较快,运行24h时后,将阴极室13的缓冲溶液换成0. lmol/L的硫酸铜溶液后, 输出电压从0. 35V急剧下降至0. 2V左右,运行48h时后,下降至0. 15V后回升,最后稳定在 0. 2V-0. 25V之间。在实施例2中,运行48h后,将阴极室13的缓冲溶液换成0. lmol/L的硫 酸铜溶液后,产电急剧上升至0. 22V,之后缓慢增长最后稳定在0. 46V左右。
由此可见,硫酸铜作MFC阴极溶液存在铜离子离子向阳极室渗透的问题,延迟加 入硫酸铜有助于减少铜离子离子的渗透,主要原因在于,阳极微生物经过一段时间的培养 后形成的生物膜上积累的大量电子使阳极形成较高的初始电势,电路接通后PEM的正反两 面将会形成一定的电势差促使阳极溶液里的H+及其他阳离子向阴极室迁移并且阻碍阴极 溶液里面的铜离子在浓度差的压力下向阳极室迁移。 对于成功启动的两个实施例1和2,硫酸铜阴极溶液的MFC产电基本稳定后进行 稳态放电试验,测定所得极化曲线和输出功率密度如图4所示(功率密度和电流密度均按 阳极室有效体积计算得到)。结果表明,实施例1的开路电压仅为O. 4958V,对其极化曲 线拟合可以得到表观内阻为454. 4Q ,最大产电功率密度为115. 26mw/m3 ;而实施例2的开 路电压能达到0. 7477V,对其极化曲线拟合得到表观内阻为339. 39Q ,最大功率密度达到 355. 5mw/n^。可见,硫酸铜阴极溶液的MFC的启动方法(或加料方式)不但影响输出电压,而
且还影响电池的表观内阻和输出功率。根据电压变化曲线积分求得累计产电量p-iL^
再由TOC累计去除量和累计产电量,根据公式(1)求得实施例1和2的库伦效率分别为 1. 93%禾卩1. 85%。 本实施例进一步测试MFC对铜的去除效率和迁移规律,每隔24h分别取实施例1 和2的阳极溶液和阴极溶液用原子吸收分光光度法测定溶液里铜离子浓度,结果如图5所 示。在实施例1中,运行初期其阳极溶液里的铜离子浓度持续上升最高达10. 28mg/L,对 阳极微生物产生较大的抑制作用;电池进入稳定放电时期以后可能由于膜两面电势差的作 用,阻止阴极溶液里铜离子+进一步向阳极室13渗透,已渗透到阳极室13的铜离子在阳极 室13里较高的pH环境下生成Cu(0H)2沉淀,从而使阳极溶液里的铜离子浓度逐渐下降至lmg/L以下。在实施例2中,阳极溶液里的铜离子浓度也经历了类似的变化,但其运行初期 铜离子浓度最高值仅为5. 22mg/L,并且在较短的时间内降低到lmg/L以下,所以并没有对 阳极微生物造成明显的抑制作用。在实施例2中,阴极溶液里的铜离子有明显的减少趋势, 360h后其浓度降低至5437. 25mg. L,铜离子的去除率达18. 59% ;而实施例1的阴极溶液里 铜离子浓度虽然也有较明显的降低但中途出现反弹,360h后铜离子的去除率仅8. 58 % 。
另外,在实施例1和2运行一段时间后其质子交换膜上均沉积了一层较厚的蓝色 物质,可见MFC溶液里减少的铜离子并没有全部迁移到阴电极上发上还原反应。因此,不 仅铜离子溶液中的铜离子还原成铜单质并沉积在所述阴电极131上,同时还在所述阴电极 131和/或所述质子交换膜16上形成铜的沉淀化合物,因而可分别收集沉积在阴电极131 上的铜单质和铜的沉淀化合物。铜的沉淀化合物包括Cu(0H)2、Cu4(0H)6S04及Cu20。因此, 在实际应用中,可以在MFCs运行后拆除反应器12,取出阳极141、阴电极131和质子交换膜 16,收集沉积在阴电极131上的铜单质和铜的沉淀化合物。为测试这些物质的具体含量,在 实施例1和2运行后,用纯净水冲洗阳极141、阴电极131和质子交换膜16,冲洗干净后放 入100ml烧杯中以lmol/L的稀硝酸浸泡,测定硝酸浸泡液的铜离子浓度,从而求得各自的 铜元素含量如表1所示。结果显示阴极溶液里的铜离子向阴电极迁移的同时也大规模地向 质子交换膜上迁移沉积。 表l MFCs运行结束后电极和质子交换膜上铜元素含量(mg)
实施例12
阴电极275±2.75332.82±0.67
阳电极3.29±0.015.60±0.017
质子交换膜191.1±1.15450息3.61 为证明上述铜物种的存在,在实施例1和2运行结束后,刮下阴电极131表层析出 物在日本理学D/MAX 2500型X射线衍射仪上以0. 02度的步距从10度连续扫描至80度得 其XRD图谱,如图6所示,图中最底下的线条为四种匹配物质的XRD标准图谱。观察实施例 1中的阴电极131析出物的衍射谱线在2 e =13.9° 、16.5° 、22.8°和35.6°处均出现尖 锐衍射峰,经计算机检索与标准卡中PDF 01-085-1316的Cu4(0H)6S04 —致,可确定存在大 量的Cu4(0H)eS04 ;谱线在2 9 = 43.9° 、50.4°和74. 1°处出现特征峰,经计算机检索与标 准卡中PDF01-071-4610的Cu —致,证明实施例1中的阴极溶液中有部分Cu2+在阴电极上 被还原成铜单质。观察实施例2中阴电极131析出物的衍射谱线也发现较强的Cu4(0H)6S04 的特征峰;在2 9 = 36.4° 、43.2° 、61.4°和73.6°处出现较强的尖锐峰,经计算机检索 与标准卡中PDF 01-078-2076的Cu20 —致,证明实施例2中阴电极析出物中含有较多Cu20 ; 在2 e = 43. 9° 50. 4°和74. 1°处也发现Cu的衍射峰。从实施例1和2中阴电极131上 各物质衍射峰的相对强度来看,实施例1中的阴电极131上生成大量的Ci^(0H)eS04和少量 的Cu单质,而实施例2中的阴电极131上有Cu4(0H)6S04也有较多的Cu20和Cu。
根据XRD谱线分析MFC阴极还原Cu(II)的产物,可大致得到如下还原过程首先 阳极微生物降解葡萄糖的过程中释放出电子通过外电路传递到阴电极石墨板上;阴极溶液 中的带正电荷的Cu2+离子通过液相传质迁移到阴电极表面附近,带负电荷的S042—向阴电极 迁移速度由于阴电极上负电荷的斥力作用而远小于Cu"。在MFC阴电极上电子数量不足的 时候,阴电极表面上附近积累大量的Cu2+便水解成Cu (0H) 2并吸附到阴电极上,进而与溶液
8中的CuS04反应生成3Cu (OH) 2 *CuS04 ;阴电极上电子数量较多时其还原能力较强,阴电极表面积累的Cu2+部分水解生成的Cu (OH) 2,进而与Cu2+ —起被还原成Cu20在阴电极上析出;阴电极上电子数量充足时,阴极溶液中迁移到电极表面附近的Cu2+很快就别还原成Cu粒子吸附在电极板表面,然后从吸附态转变成结晶态在电极板表面析出。 往干净MFC反应器的阳极室里加入葡萄糖模拟废水不接种菌种,阴极室里加入硫酸铜溶液构建对照试验发现,空白MFC的电极板和质子交换膜上均无沉积含铜化合物,但存在浓度差渗透至两室溶液中铜离子浓度相等。因此可知,成功启动的实施例1和2的MFC闭合电路可以阻止阴极溶液里的铜离子向阳极室渗透,但迁移路径被阻断的铜离子会沉积在质子交换膜上以晶体的形式析出。 在上述实施例中,MFC都是直接以硫酸铜溶液为阴极溶液,以废水为阳极底物构建双室有膜MFC,当应用于1000 Q外电阻的条件下,持续放电400h,最高输出电压达488. 8mV,最大功率密度为355. 5mw/m3 ;电池表观内阻为339 Q ,开路电压能达到747. 7mV,库伦效率为1. 93% 。在运行过程中,MFC阴极溶液里的Cu2+在浓度差的压力下会通过质子交换膜渗透到阳极室,因面,延迟加入硫酸铜溶液可以有效抑制Cu2+的渗透,使MFC运行顺利。在实施例2中,MFC对0. lmol/L硫酸铜溶液中Cu2+的去除率较高,可达18. 59% ;XRD分析证明Cu(II)在阴电极表面还原过程中会形成大量的014(011)6504,还原产物包括01和0120,并分别沉积在电极和质子交换膜上。 对于除铜之外的重金属,其污水处理产电及还原重金属的方法流程和上述实施例的操作和数据及结果都相类似,经过处理后,其它的重金属也会有多种如氢氧化物沉淀、单质及其它类似产物,在此不再赘述。 由上可知,在本实施例的燃料电池系统10及其污水处理产电及还原重金属的方法中,阴极室14内包含重金属离子离子溶液,并以其作为电子受体,从而在污水处理和产电过程中不用鼓入氧气,整个燃料电池系统可省却传统所需的曝气装置,从而,使得整个系统结构简单,成本低,进行污水处理和产电时,操作也较为简便。而且,由于阴极室可以采用包含重金属离子离子的溶液作为阴极溶液,因此上述系统和方法不但可以同时实现污水净化和产电,还可以将重金属离子还原,充分利用阴极还原力,从阴极溶液中回收重金属。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种燃料电池系统,其包括生物反应器,所述生物反应器包括阴极室和阳极室,所述阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极,所述阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物,所述阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔,其特征在于,所述阳极室内流通污水并通过其内的微生物活性物对污水进行处理,所述阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原,所述阳极室内产生质子和电子,所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室,使两极室在反应器内部电性连通,并使生物反应器处理污水的同时产生电能。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,所述阳电极包括两片交叉连接的 石墨电极,所述阴电极包括至少一片倾斜设置的石墨电极。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,所述重金属离子溶液包含铜离子、 锌离子、镍离子、铅离子、镉离子或铬离子中的至少一种。
4. 如权利要求1所述的燃料电池系统,其特征在于,所述阴极室内进一步在加入重金 属离子溶液前添加有缓冲溶液。
5. —种污水处理产电及还原重金属的方法,其采用如权利要求1至4任一项所述的燃 料电池系统来进行污水处理、产电及还原重金属,该方法包括以下步骤将污水导入所述阳极室内; 将重金属离子溶液导入所述阴极室内;通过所述阳极室内的微生物活性物对流经所述阳极室的污水进行处理,同时产生质子 和电子,所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室;所述重金属离子溶液在所述阴极室内接受电子被还原,所述阳极室中产生的质子通过 所述质子交换膜迁移至所述阴极室,使两极室在反应器内部电性连通,产生电能。
6. 如权利要求5所述的污水处理产电及还原重金属的方法,其特征在于,所述阴极室 内在导入重金属离子溶液之前加入缓冲溶液,并延迟加入重金属离子溶液。
7. 如权利要求5所述的污水处理产电及还原重金属的方法,其特征在于,所述阴极室 内先加入缓冲溶液,同时进行曝气,运行预定时间后再导入重金属离子溶液。
8. 如权利要求5所述的污水处理产电及还原重金属的方法,其特征在于,所述阴极室 内先加入缓冲溶液,在不进行曝气的状态下运行预定时间,再导入重金属离子溶液。
9. 如权利要求7或8所述的污水处理产电及还原重金属的方法,其特征在于,所述预定 时间为24小时至72小时。
10. 如权利要求5所述的污水处理产电及还原重金属的方法,其特征在于,所述重金属 离子溶液中的重金属离子还原成重金属单质并沉积在所述阴极上,同时还在所述阴极和/ 或所述质子交换膜上形成重金属的沉淀化合物,分别收集沉积在所述阴极和/或所述质子 交换膜上的重金属单质和重金属的沉淀化合物。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法,该系统包括生物反应器,生物反应器包括阴极室和阳极室,阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极,阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物,阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔,阳极室内流通污水并通过其内的微生物活性物对污水进行处理,阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原,阳极室内产生质子和电子,质子通过质子交换膜迁移至阴极室,使两极室在反应器内部电性连通,并使生物反应器处理污水的同时产生电能。在该系统和方法中,通过以重金属离子溶液作为电子受体,不用鼓入氧气,整个系统结构简单,成本低,操作简便,还可以从阴极溶液中回收重金属。
文档编号H01M4/96GK101710625SQ20091011042
公开日2010年5月19日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者倪晋仁, 梁敏, 陶虎春 申请人:北京大学深圳研究生院
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