一种微生物电容脱盐燃料电池技术的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及污水生物处理、微生物发电、电容去离子脱盐技术领域，是一种绿色节能的环境保护技术。
【背景技术】
[0002]采用安全、经济、节能的方法制取清洁的水是人类社会面临的一项重要的技术挑战。其中，脱盐是将苦咸水、海水或污水转变为人类可使用的水的关键技术。目前得到大规模应用的脱盐方法主要有反渗透、蒸馏、电渗析和离子交换。这些方法普遍存在着能耗高、产水量低、维护繁琐、对环境产生二次污染等缺点。
[0003]电容去离子脱盐是近年来发展起来的一种新型水处理方法，是通过对具有大的比表面积和大的比容量的一对电极(常采用多孔碳材料，如炭气凝胶、活性炭、碳纤维、碳纳米管等)施加低压直流电场，当水在电极之间流过时，水中带电离子在电场的作用下向带相反电荷的电极移动并吸附在电极上，从而达到脱盐的效果。当电极的吸附容量达到饱和时，让电极短路或者施加反向电场，被吸附的离子重新回到水中形成浓水排走，同时电极得到再生。相对于其它的脱盐方法，电容去离子具有能耗低、无需消耗化学药剂、无二次污染、操作维护简单等优点，因此，有望在苦咸水处理、海水淡化、中水回用、饮用水深度净化、重金属回收等领域得到广泛应用。
[0004]向电容去离子脱盐设备提供直流电力的方法可以有多种。可以使用将220V的市电调整电压并变换成直流后供电，也可以使用电池、蓄电池供电。在室外也可以采用太阳能、风力、热电联产等方式供电。由于电容去离子脱盐设备中使用的电极作为电容器本身具有蓄电能力，也可以将多个电容器连接，相互将积蓄的电力交互作为电源使用。电容去离子对直流电源的电压没有特别的限定，由于水的标准电极电势是1.23V，为防止水解，一般利用不超过1.2V的低电压便可运行。
[0005]微生物燃料电池，作为一种新兴的环保技术，可在处理污水的同时也产生电能，其开路电压可以满足电容去离子对电压的要求。因此，将微生物燃料电池和电容去离子无缝组合，使其兼具降解有机物、产电、脱盐三种功能，是很有发展潜力的一种方法。
[0006]现有技术的双室微生物燃料电池的原理如图1所示。它以附着于阳极的微生物作为催化剂，降级有机物产生电子和质子。产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电流。产生的质子或通过分隔材料(膜或者盐桥)或直接通过电解液到达阴极，在阴极与电子、氧化物(如氧气等)发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。
[0007]双室微生物燃料电池没有脱盐的功能，一种三室微生物脱盐燃料电池在其基础上改进而成。其原理如图2所示:在微生物燃料电池中的阳极和阴极之间依次加入阴离子交换膜和阳离子交换膜形成一个中间脱盐室，利用电池内部两边阴阳极的电势差完成中间室的脱盐。但是这个过程是不可逆且不可持续的，阳极室和阴极室的电解液的盐份会升高，影响出水的后续利用。另一方面，质子在阳极室累积从而导致PH下降，危害了产电菌的活性，而阴极室的PH也会升高，这种不平衡影响了进一步的产能和脱盐效率。
【发明内容】
[0008]本发明提出了一种新的将微生物燃料电池和电容式去离子脱盐相耦合的方法，利用微生物燃料电池产生的电能驱动电容去离子脱盐，并克服了现有微生物脱盐燃料电池的上述两种问题，使整个系统能稳定运行。
[0009]这种微生物电容脱盐燃料电池的原理为:它由一个微生物燃料电池和一个电容去离子单元组成(如图3所示)，包括产电微生物、阳极、一张阳离子交换膜、活性炭布与导电金属网组成的电容电极、另一张阳离子交换膜、空气阴极。该装置被分隔为三室，依次为阳极室、脱盐室和阴极室。阳极室和阴极室的阳阴两极分别与脱盐室中与之相邻的活性炭布电容电极连接，电子通过外电路传递到活性炭布电容电极，使电容电极具有与阴阳极相同的电势，进而在活性炭布表面与溶液间形成双电层，离子富集在电极表面而使脱盐室溶液中的离子浓度降低。
[0010]这种微生物电容脱盐燃料电池的特征在于:采用在微生物脱盐燃料电池中加入两张阳离子交换膜代替现有技术的一张阴离子交换膜和一张阳离子交换膜相结合的方法，并将以活性炭布作为电极的电容去离子单元耦合进来分隔阳极室和阴极室，使得质子可以透过阳离子交换膜和活性炭布在阳极室、脱盐室、阴极室三室间自由转移，达到稳定各室PH的效果，这使得阳极室产电菌的活性得以保持，产电能力和脱盐效率得到提高，整个过程可长期稳定运行。
[0011]这种微生物电容脱盐燃料电池的脱盐过程如图4所示:阳极室处理有机污水，阳极上的产电菌通过氧化污水中的有机物产生电流和质子，电流通过外电路传到脱盐室的活性炭布电容电极，质子不会累积而导致阳极室pH降低，而是穿过两张阳离子交换膜到达阴极室，完成电池内部的电荷传递。脱盐室和阴极室可处理含盐水。由于活性炭布电容电极具有与阴阳极相同的电势，脱盐室中的阴离子被靠近阳极室的活性炭布电极吸附，阳离子被靠近阴极室的活性炭布电极吸附，使出水达到脱盐效果。阴极室中的阴离子虽然不能透过阳离子交换膜而被脱盐室的活性炭布电极吸附，里面的阳离子却可以，因此阴极室也有一定的脱盐效果，这时，从阳极室过来的质子起到稳定阴极室PH的作用，使得阴极室的OH—不会累积而导致pH升高。除此之外，运用此方法还可使脱盐室对有机物也有一定去除的效果，这是通过活性炭布对带电有机粒子的吸附而实现的，而现有技术的微生物脱盐燃料电池并不能做到这一点。
[0012]这种微生物电容脱盐燃料电池的电极再生过程如图5所示:在电容吸附饱和后，断开电容与阴阳极的连接，用外导线连接两电容电极使其短路，在短路的情况下，活性炭布失去极性，吸附于双电层上的离子从碳布上解吸，带有相反电荷的离子互相吸引并向溶液中转移。另一种方法是交换电容电极与阴阳极的连接，在活性炭布电极间加以与脱盐阶段相反的电势(其控制电路如图6所示，如果开关Kl和K2在脱盐状态同时位于向下的位置，则转至解吸状态时将两者同时拨至向上的位置)，吸附于电容上的离子在同性相斥的作用下解吸.用清洗水冲洗脱盐室以去除物理吸附的离子而形成浓水。
[0013]一般的阳离子交换膜除了能透过质子外，还能透过其他的很多盐离子(如Na+、K+、NH4+、Ca2+等)，而在阳极室一侧使用阳离子交换膜替换现有技术的阴离子交换膜的原因主要是为了使质子能够在三室间自由流动，因此，也可以使用质子交换膜来替换现有技术的阴离子交换膜来达到同样的质子传递的目的。
[0014]另外，也可以采用在活性炭布电容电极表面喷涂阳离子交换膜的方法制成膜电极来达到同样的质子传递的目的。由于已成型的离子交换膜通过压力作用覆盖在电极表面会使离子的透过性变差，并会提高电极和膜的电阻。而喷涂法制成的一体化膜电极厚度薄、电阻小，在实现质子传递的同时也可提高装置的运行效率。
【附图说明】
[0015]图1:现有技术的微生物燃料电池原理示意图。
[0016]图2:现有技术的微生物脱盐燃料电池原理示意图。
[0017]图3:本发明中的微生物电容脱盐燃料电池原理示意图。
[0018]图4:本发明中的微生物电容脱盐燃料电池的脱盐过程示意图。
[0019]图5:本发明中的微生物电容脱盐燃料电池的电极再生过程示意图。
[0020]图6:本发明中的微生物电容脱盐燃料电池的一种控制电路示意图。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:
采用如图3所示的微生物电容脱盐燃料电池的结构。脱盐室由两张阳离子交换膜和两个活性炭布电极分隔出来。活性炭布电极由一层导电金属网和活性炭布(FM10 ActivatedCarbon Cloth, Chemviron Carbon, UK)组成，这种活性炭布的厚度为0.5 mm，比表面积为1020 m2/g，极板间距为15 mm。作为电池阳极的碳刷上通过接种运行的方式使之附着有活性和数量稳定的产电微生物。空气阴极与溶液接触面载有铂催化剂，另一侧与空气相通，涂有PTFE防水层。阳极室、脱盐室和阴极室处理的废水均由模拟成分构成，pH值为7.0 土0.2，在经过一轮运行后，各室pH值的变化情况依次为-0.2,0.1,1.5。对照组采用的是现有技术的一张阴离子交换膜和一张阳离子交换膜分隔出脱盐室的方法(其结构如图2所示)，其他条件不变，各室PH值的变化情况则此次是-0.5、0.1、4.5。结果表明，本发明所述的方法对于稳定各室的PH值有较好的效果，有利于系统的长期稳定运行。
【主权项】
1.一种微生物电容脱盐燃料电池技术，运用两张阳离子交换膜代替现有技术的采用一张阴离子交换膜和一张阳离子交换膜相结合的方法分隔阳极室和阴极室，使得质子可以在阳极室、脱盐室、阴极室三室间自由转移，稳定各室pH。
2.根据权利要求1所述的方法，运用质子交换膜达到同样的质子自由转移的目的。
3.根据权利要求1所述的方法，运用在正负电容电极表面喷涂阳离子交换涂层的方法达到同样的质子自由转移的目的。
【专利摘要】本发明公开了一种微生物电容脱盐燃料电池技术，利用微生物处理污水产生电能为电容去离子单元供电，涉及污水生物处理、微生物发电和电容去离子脱盐技术领域。该脱盐技术由一微生物燃料电池和一电容去离子单元组成。其特征在于：微生物燃料电池的阳极室和阴极室之间加入两张阳离子交换膜和两个活性炭布电极，形成脱盐室。现有技术问题在于：微生物氧化有机污染物释放质子，累积致阳极室pH下降，影响产能和脱盐。本发明用两张阳离子膜和活性炭布电极分割阳极室、脱盐室和阴极室，使质子可通过阳离子膜和活性炭布在三室间自由转移，稳定各室pH。本发明在于提供一种长期运行微生物电容脱盐燃料电池的方法，保持产电菌活性，提高产电能力和脱盐效率。
【IPC分类】C02F3-34, H01M8-16, H01M8-02
【公开号】CN104617322
【申请号】CN201410824619
【发明人】黄宽, 余健, 唐浩
【申请人】湖南大学, 黄宽
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月26日