一种用于油泥处理同步还原土壤六价铬的微生物燃料电池的制作方法

本实用新型是属于工业废弃物处置技术领域，具体涉及一种用于油泥处理同步还原土壤六价铬的微生物燃料电池。

背景技术：

微生物燃料电池(mfc)是利用微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的理想装置。该技术操作条件温和、安全高效、绿色、成本低廉、结构简单、易于管理，是近年来的研究热点。

过去的几十年，研究者研制出了各种各样的材料作为mfc的阳极材料，其中二维碳基材料比如石墨棒、碳纸、石墨片、碳布、石墨颗粒以及活性炭等是前期研究者们的研究重点。非碳基如不锈钢、钛材料等金属材料，由于其电导率比碳基材料高2-3个数量级，且具有较高的可塑性及物理强度，在微生物燃料电池研究中也受到了研究者们的普遍关注。开孔泡沫碳是一种三维碳基材料，相比以上材料，其具有较大的比表面积和一定的孔状结构，极有利于微生物的附着生长，且有较高的导电性及物理强度，因此本实用新型采用开孔泡沫碳作为阳极材料。

油泥中含有大量的石油烃(phcs)和其他污染物质，包括中国在内的许多国家将其列为危险废弃物。钻井废油泥在很多方面对环境都有影响，对环境的污染主要表现在：(1)污染面积大、区域广；(2)钻井废油泥中的碱性物质、可溶性盐类和石油类物质等能够对土壤的结构产生较大的影响，如能够使土地出现龟裂板结的现象，从而对植物的正常生长产生很大的危害作用；(3)钻井废油泥中包含的重金属离子和有机物、高分子聚合物等在环境中很容易进入食物链，最终对人类的健康和安全等产生较大的危害；(4)如果钻井废油泥进入到河流、海洋或渗入地层，会对地下水和水生生物的正常生长产生不良影响等。对钻井废油泥的主要治理技术方法主要有化学法、物理法和生物修复法等。其中化学法和物理法成本较高，且容易对土壤的理化性质造成严重的不利影响。生物修复法具有成本较低，操作简单、无二次污染等优点。但由于油泥中的营养严重失调，本土微生物不足，所以，在油泥微生物修复过程中存在着污染物降解速率低，修复周期长，多环芳烃类污染物难以降解等缺点。

铬盐是应用非常广泛的化工原料之一，国内约10％的产品与铬盐有关，涉及高级材料、电镀、皮革、染料、医药等多种行业。近30年来，其需求量快速增大，据调查，目前中国直接生产重铬酸盐的企业多达30多家，年生产能力超过30万t，生产总量居世界第一。每生产1t铬盐产品，同时产生大约3t铬渣。我国每年实际产生约75万t有毒废渣，加之历年堆存的铬渣，累计量>200万t。铬是自然环境中常见的一种金属污染物，也是美国超级基金优先控制的前20种有毒物质之一。六价铬的化合物具有毒性和致癌性，主要因为铬在动物体内可以影响人体的氧化、还原和水解等生命活动，使蛋白质变性，干扰人体内正常的新陈代谢，导致病变和癌变，因此铬污染场地修复己成为土壤修复的重点。目前，针对土壤中铬污染修复方法主要有化学还原、化学清洗、和电动修复等。化学还原法不仅大量消耗还原剂，而且经还原之后的三价铬在土壤复杂环境下一段时间后，容易再次转化为六价铬；化学清洗法成本极高，很难被推广应用；电动修复技术需要消耗大量电能，而且修复效果不理想。

微生物燃料电池在处理油泥同时还原土壤中六价铬，不仅可以达到高效率、低能耗、低投入的修复效果，而且不会破坏土壤生态、操作简单、易于管理。

技术实现要素：

废弃的油泥含有石油烃、酚类化合物等，呈现强碱性、腐蚀性。长期堆积会造成地表植被的严重破坏，污染土壤和水源，危及人类的生存。现有的油泥处理方法都有各自的缺点和不足：处理时间长、工艺复杂、处理成本高等。六价铬有强毒性以及较强的致突变、致癌作用，对环境具有持久危险性。六价铬易溶于水，渗透性强，分离难度大，处理成本高，使用传统的修复方法很难达到高效率、低能耗、低投入的修复效果，而且易造成再次污染，破坏土壤生态。

本实用新型用微生物燃料电池处理油泥同步还原土壤中六价铬，微生物燃料电池由开孔泡沫碳阳极、石墨阴极、电阻、质子交换膜和导线构成，通过位于阳极的微生物消耗油泥中的石油烃产生电能，阴极室中六价铬污染土壤可以利用阳极产生的电子还原六价铬，结构简单，无需外部电能的输入，而且还能产生能量。较高的产电可为温度湿度计、ph计等电极供电。此技术是一项经济有效的降解油泥中石油烃同步还原六价铬的技术。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于油泥处理同步还原土壤六价铬的微生物燃料电池，包括阴极、阳极、电阻和壳体；壳体(8)内设置有油泥(6)和六价铬污染土壤(7)，阴极(1)置于六价铬污染土壤(7)的上部，下表面与六价铬污染土壤相接触；阳极置于油泥(6)下部的油泥之中，位于阴极(1)下方15～45cm处，阴极(1)与阳极(2)之间设置有质子交换膜(4)，阴极(1)与阳极(2)通过导线(3)与电阻或用电设备(5)相连接。

所述阴极优选为长5～15cm,宽5～15cm,厚度0.3～0.8cm的石墨板。

所述阳极优选为长5～25cm,宽5～25cm,厚度0.3～0.8cm的开孔泡沫碳材料。

所述导线(3)优选为铜导线。

所述电阻(5)优选为100-1000欧姆。

所述壳体(8)的优选直径为15～35cm，高度为25～50cm。

优选所述油泥和六价铬污染土壤厚度比为0.85～1.1。更优选油泥和六价铬污染土壤厚度为阴阳两极距离的一半。

本实用新型微生物燃料电池用于油泥石油烃的降解同步还原土壤中六价铬，与其他技术相比无需电能的输入，结构简单，建造和运行成本低，易于管理维护。本实用新型与单独微生物燃料电池处理六价铬污染土壤相比，土壤中的有机质不会在阳极被降解而造成土壤肥力下降，不影响土壤后续耕种。此外，产电菌与六价铬污染土壤隔开，土壤中存在的重金属不会对产电菌产生毒害作用。六价铬在酸性环境中还原效率高，本实用新型阳极产生的质子通过质子交换膜迁移至阴极室使阴极环境的酸碱度降低，有利于六价铬的还原。本实用新型与单独微生物燃料电池处理油泥相比，阳极通过导线传递至阴极的电子用于还原六价铬，无需氧气作为电子受体，不需要额外鼓入氧气。

在使用开孔泡沫碳作为微生物燃料电池阳极的情况下，可获得的最大功率密度为30～33w/m³，对比一般的碳毡阳极，功率密度提高了30％左右；油泥中石油烃去除率达到80％～93％，大大增加了去除效果。以上都说明了开孔泡沫碳作为阳极材料具有极大的优势，既能为微生物提供大的比表面积，促进电子的传递速率，又能在合适的条件下输出高功率密度，是应用于微生物燃料电池阳极设计中有潜力的电极材料。

本实用新型是一种经济有效的降解油泥中石油烃同步还原土壤中六价铬且回收电能的技术。

附图说明

图1：用于处理油泥同步还原六价铬的微生物燃料电池示意图图中：1-阴极；2-阳极；3-导线；4-质子交换膜；5-电阻或用电设备；6-油泥；7-六价铬污染土壤；8-壳体。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种微生物燃料电池，包括阴极、阳极、电阻和壳体；壳体(8)内设置有油泥(6)和六价铬污染土壤(7)，阴极(1)置于六价铬污染土壤(7)的上部，下表面与六价铬污染土壤相接触；阳极置于油泥(6)下部的油泥之中，位于阴极(1)下方15～45cm处，阴极(1)与阳极(2)之间设置有质子交换膜(4)，阴极(1)与阳极(2)通过导线(3)与电阻或用电设备(5)相连接。此系统结构简单，产电量高，无需外部电能的输入，建造成本低，易于管理。

本实用新型主要是微生物燃料电池阳极的微生物利用油泥中的石油烃产生电能，阴极室中六价铬污染土壤可以利用阳极产生的电子同步还原六价铬。本实用新型中沉积型微生物燃料电池装置，包括：壳体，阴极，阳极，电阻，质子交换膜和导线。阴极为长5～15cm,宽5～15cm,厚度0.3～0.8cm的石墨板，放置在六价铬污染土壤上方。阳极为长为5～15cm,宽5～15cm,厚度0.3～0.8cm的开孔泡沫碳，放置在油泥中，位于阴极下方15～45cm处，油泥和六价铬污染土壤厚度均大约为阴阳两极距离的一半。阳极开孔泡沫碳为市售成品，其密度为0.2～1.0g/cm³，孔隙率为30～80％,孔径为0.01～6mm，电阻率为1.0×10^-2-10^-5ω·m，具有良好的导电性、比表面积大、稳定性好。阳极大的比表面积为微生物提供栖息场所，利于产电菌降解有机物且产电。电阻为100～1000欧姆。导线为铜导线。壳体的直径为15～35cm，高度为25～50cm。油泥来自各大油田在钻井、运输等过程中产生的含油废弃污泥，六价铬污染土壤来自饹馇堆积场地。阳极放置在油泥中，为微生物提供了栖息场所，使微生物富集在阳极表面，通过消耗油泥中的有机物产生电能，阴极放置在六价铬污染土壤上部，通过导线传递的电子将六价铬还原。本装置不需要额外的电能输入，在降解油泥中石油烃等污染物的同时还原污染土壤中的六价铬，且阳极的微生物会利用油泥中的有机物产生电能。

实施例1

壳体8内设置有油泥6(厚度为10cm)和六价铬污染土壤7(厚度为10c)，油泥来自各大油田在钻井、运输等过程中产生的含油废弃污泥，六价铬污染土壤来自饹馇堆积场地。壳体8的直径为15cm，高度为30cm,采用塑料材料制备。将阴极1置于六价铬污染土壤上部，为长10cm,宽10cm,厚度0.5cm的石墨板。阳极2置于壳体8底部的油泥中，位于阴极下方20cm处，阳极为长10cm,宽10cm,厚度为0.5cm的开孔泡沫碳。阴极1与阳极2之间设置有质子交换膜4，以便阳极产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极表面。阴极1与阳极2通过导线3与电阻或用电设备5相连接，导线3为铜导线；电阻5的电阻值为500欧姆。

在使用开孔泡沫碳作为微生物燃料电池阳极的情况下，可获得的最大功率密度为30～33w/m³，对比一般的碳毡阳极，功率密度提高了30％左右；油泥中石油烃去除率达到80％～93％，土壤六价铬还原率可达70％～90％，大大增加了去除效果。

实施例2

壳体8内设置有油泥6(厚度为8cm)和六价铬污染土壤7(厚度为8cm)，油泥来自各大油田在钻井、运输等过程中产生的含油废弃污泥，六价铬污染土壤来自饹馇堆积场地。壳体8的直径为15cm，高度为25cm,采用塑料材料制备。将阴极1置于六价铬污染土壤上部，为长5cm,宽5cm,厚度0.3cm的石墨板。阳极2置于壳体8底部的油泥中，位于阴极下方16cm处，阳极为长5cm,宽5cm,厚度为0.3cm的开孔泡沫碳。阴极1与阳极2之间设置有质子交换膜4，以便阳极产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极表面。阴极1与阳极2通过导线3与电阻或用电设备5相连接，导线3为铜导线；电阻5的电阻值为100欧姆，当导线3与用电设备温度湿度计连接时可利用微生物燃料电池产生的能量驱动用电设备。

在使用开孔泡沫碳作为微生物燃料电池阳极的情况下，可获得的最大功率密度为30w/m³，对比一般的碳毡阳极，功率密度提高了25％左右；油泥中石油烃去除率达到80％～83％，土壤六价铬还原率可达70％～76％，大大增加了去除效果。

实施例3

壳体8内设置有油泥6(厚度为20cm)和六价铬污染土壤7(厚度为20cm)，油泥来自各大油田在钻井、运输等过程中产生的含油废弃污泥，六价铬污染土壤来自饹馇堆积场地。壳体8的直径为35cm，高度为50cm,采用塑料材料制备。将阴极1置于六价铬污染土壤上部，为长25cm,宽25cm,厚度0.8cm的石墨板。阳极2置于壳体8底部的油泥中，位于阴极下方40cm处，阳极为长25cm,宽25cm,厚度为0.8cm的开孔泡沫碳。阴极1与阳极2之间设置有质子交换膜4，以便阳极产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极表面。阴极1与阳极2通过导线3与电阻或用电设备5相连接，导线3为铜导线；电阻5的电阻值为1000欧姆，当导线3与用电设备ph计连接时可利用微生物燃料电池产生的能量驱动用电设备。

在使用开孔泡沫碳作为微生物燃料电池阳极的情况下，可获得的最大功率密度为32～33w/m³，对比一般的碳毡阳极，功率密度提高了32％左右；油泥中石油烃去除率达到88％～93％，土壤六价铬还原率可达82％～90％，大大增加了去除效果。

本实用新型公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件等环节实现，尽管本实用新型的制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本实用新型精神、范围和内容中。