利用MFC处理废弃稻壳的方法与流程

本发明属于微生物燃料电池技术领域，尤其涉及一种利用mfc处理废弃稻壳的方法。

背景技术

我国是水稻种植的大国，大部分地区主要的食物是稻米，稻谷的产量在粮食总产量中也占据了很大的比例。根据中华人民共和国农业部发布的数据，在2016年，我国水稻产量在2亿吨以上。在水稻加工过程中，会产生稻壳，稻壳约占稻谷质量的20％，按照这种方法计算，全国每年会产生约4000万吨的稻壳。稻壳堆积密度小，流动性差。室内堆放占地大，室外堆放又易随风飘散，污染环境。当稻壳堆积含水量过大时，内部会产生大量的热量，甚至会发生自燃。稻壳被雨水浸泡时间过长还会发酵。稻壳现已成为人类急需解决的一项污染问题。但其实稻壳是放错了地方的资源。稻壳里含有纤维素、木质素、半纤维素、二氧化硅和少量粗蛋白、粗脂肪等，有待人们加以利用。

微生物燃料电池(microbialfuelcell，mfc)是一种新兴的能源技术，利用细菌通过生物质产生电能，可以将微生物代谢活动中储存的有机物转化为电能的生物反应装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，具有发电效率高、环境污染少的特点。

mfc在实际应用中，可以处理生活污水，焦化废水，啤酒废水，造纸废水，印染废水，煤热解废水和垃圾渗滤液等。

但是没有人考虑将稻壳水解液加入阳极产电，近年来，如何将废稻壳等农业废弃物，使之变废为宝已经成为了一个热点，引起了各国的密切关注。如何处理稻壳该废弃物，如何做到清洁且环保，是急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种能够将稻壳变废为宝，既清洁又环宝的利用mfc处理废弃稻壳的方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本利用mfc处理废弃稻壳的方法采用实验系统进行处理，该实验系统包括阳极室和阴极室，在阳极室内设有电极一，在阴极室内设有电极二，电极一和电极二之间通过电阻连接，阳极室和阴极室之间设有通道，在通道内设有将所述通道隔断的质子交换膜。

本方法包括如下步骤：

s1、将50g稻壳与5g纤维素酶在发酵罐中混合，加水至1l后水解；

s2、将步骤s1得到的水解液稀释3倍后冷冻备用；

s3、将步骤s2得到的水解液取出和厌氧活性污泥混合加入mfc的阳极室中，稻壳水解液和活性污泥的体积比为2:1；

稻壳水解液加入阳极室之后，再加入了适量的微量元素，微量元素的质量浓度及组分分别为3.13g/lnahco3，0.13g/lkcl，6.338g/lna2hpo4，0.015g/lcacl2，0.200g/lmgso4·7h2o，6.8556g/lna2po4，0.020g/lmnso4·7h2o和0.31g/lnh4cl，此时ph为6；

s4、在阴极室加入硫酸银溶液；

s5、在阴极室与阳极室之间接入电阻，将电阻数值调节到1000ω；

s6、当电压降到0.05mv以下时，更换阴极室与阳极室内的底液；

s7、在产电性能稳定后，改变电阻的值，作出极化曲线与功率密度曲线的图像，观察mfc产电性能；

阳极室内有电极一，阴极室内有电极二，电极一和电极二分别由如下工艺制成：

a1、裁剪：裁剪两块正方形的碳布；

a2、洗净：采用去离子水将碳布水洗干净；

a3、烘干：将水洗干净后的碳布放入烘箱中，烘箱的温度保持在120℃，烘干持续时间2h，烘干后冷却；

a4、浸泡：采用甲醇将冷却后的碳布进行浸泡；

a5、清洗：采用去离子水将浸泡后的碳布清洗若干遍；

a6、灼烧：将清洗后的碳布放入450℃马弗炉灼烧，灼烧时间为30min，取出后冷却；

a7、粘合：将a型环氧树脂胶和b型环氧树脂胶按照1：1的量混合均匀，混合制得的环氧树脂胶，然后采用环氧树脂胶将导线与碳布粘合，最终将粘合后的导线与碳布进行风干固定，即，制得如上的电极一或电极二。

采用的如上方法，其不仅可以将稻壳进行重新利用，同时，整个系统其清洁生产加工，不仅环保节能，而且符合当前社会技术的发展趋势。

设计的电极工艺，其不仅能够提高电极的使用性能，而且还能够提高实验效率。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，所述的电极一位于阳极室的中心；所述的电极二位于阴极室的中心。

该结构其便于安装和固定。

加入的微量元素，其可以进一步充分反应稻壳中的葡萄糖。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，所述的硫酸银溶液配制过程工艺如下：取0.657g硫酸银溶解在900ml水中，将硫酸银溶液加入到阴极室，其中硫酸银微溶，溶解时放入超声波清洗机中30分钟，并用玻璃棒进行搅拌，直至硫酸银完全溶解为止。

该工艺的设计，其可以在最大程度上确保硫酸银的性能。

阳极室和阴极室之间设有通道，在通道内设有将所述通道隔断的质子交换膜，该质子交换膜由如下工艺制成：

b1、浸泡一：将pem基膜浸泡80℃的3％过氧化氢，浸泡时间为1h；

b2、冲洗一：将浸泡后的pem基膜放入80℃的去离子水中冲洗，冲洗时间为1h；

b3、浸泡二：将冲洗后的pem基膜放入80℃的硫酸溶液中浸泡，浸泡时间为1h；

b4、冲洗二：用80℃去离子水冲洗pem基膜1h，即，制得质子交换膜；

b5、封存：将质子交换膜放在去离子水中密封保存，当需要使用质子交换膜时，将封存的质子交换膜取出并在空气中自然风干。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，活性污泥的预处理工艺如下：阳极区的活性污泥取自豆制品厂，取回后将其依次经过过滤、沉淀和淘洗后，在厌氧条件下保存备用，然后再将污泥驯化，将好氧污泥转化成厌氧污泥。

该工艺的设计，其可以进一步提高实验效率。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，电极一和电极二之间还连接有与电阻并联的无纸记录仪。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，在阳极室上连接有一端伸入至阳极室内的进液管，在阳极室上还连接有一端伸入至阳极室内的取液管，所述的进液管竖直设置，取液管竖直设置且管底部位于污泥面之上，进液管的下端位于取液管的下端侧下方。

该结构其可以避免进和取的相互干扰，防止取液时取到污泥。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，所述的通道为玻璃通道。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，所述的质子交换膜周边与通道的内壁接触并固定。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，在上述的s1步骤中，加入纤维素酶前取样，之后每半小时取一个样，测定水解液中葡萄糖浓度，待曲线平稳即水解完全，确定水解完全的时间，水解完全后将水解液稀释3倍装瓶放入冰箱备用。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，在上述的s2和s3之间，水解后的稻壳滤渣进入燃烧发电厂，燃烧发电厂将水解后的稻壳进行燃烧发电。

在上述的利用mfc处理废弃稻壳的方法中，在上述的s1步骤中，在水解时，温度为30℃条件下水解220min至浓度不再变化为止。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1、结合了有机生物质处理和电化学系统的特点，既处理了废弃物，又产生了电能，在稻壳水解之后，剩余的残渣仍然可以送入发电厂燃烧发电，其热值变化较小，从而提高了能量的利用率。节约成本，保护环境，具有良好的经济和环境效益。具体包括：

2、本发明操作简单，废弃生物质来源稳定，避免了直接燃烧造成的能量浪费，实现了能量的高效率利用。

3、以废弃稻壳为原料制成mfc，能有效利用废弃物中的有机物，处理后的水解液中葡萄糖的含量大幅度下降，实现了废弃物的循环利用，清洁环保，节约成本，高效经济。

4、方法简单。

附图说明

图1是本发明提供的实验流程框图。

图2是本发明提供的实验系统框图。

图3是产电过程中电压和葡萄糖变化的图像。

图4是当外电阻1000ω时，功率密度随时间变化的图像。

图5是当产电性能稳定时，通过改变外电阻的阻值绘制的极化曲线与功率密度曲线。

图中，阳极室1、进液管11、取液管12、阴极室2、电极一3、电极二4、电阻5、通道6、质子交换膜7、无纸记录仪8。

具体实施方式

以下是发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-2示，

本利用mfc处理废弃稻壳的方法采用实验系统进行处理，该实验系统包括阳极室1和阴极室2，在阳极室1内设有电极一3，在阴极室2内设有电极二4，所述的电极一3位于阳极室1的中心；所述的电极二4位于阴极室2的中心。

本方法包括如下步骤：

s1、将50g稻壳与5g纤维素酶在发酵罐中混合，加水至1l后水解；

s2、将步骤s1得到的水解液稀释3倍后冷冻备用；

s3、将步骤s2得到的水解液取出和厌氧活性污泥混合加入mfc的阳极室中，稻壳水解液和活性污泥的体积比为2:1；

s4、在阴极室加入硫酸银溶液；

s5、在阴极室与阳极室之间接入电阻，将电阻数值调节到1000ω；

s6、当电压降到0.05mv以下时，更换阴极室与阳极室内的底液；

s7、在产电性能稳定后，改变电阻的值，作出极化曲线与功率密度曲线的图像，观察mfc产电性能。

在上述的s1步骤中，在水解时，温度为30℃条件下水解220min至浓度不再变化为止。

所述的电极一3和电极二4分别由如下工艺制成：

a1、裁剪：裁剪两块正方形的碳布；

a2、洗净：采用去离子水将碳布水洗干净；

a3、烘干：将水洗干净后的碳布放入烘箱中，烘箱的温度保持在120℃，烘干持续时间2h，烘干后冷却；

a4、浸泡：采用甲醇将冷却后的碳布进行浸泡；

a5、清洗：采用去离子水将浸泡后的碳布清洗若干遍；

a6、灼烧：将清洗后的碳布放入450℃马弗炉灼烧，灼烧时间为30min，取出后冷却

a7、粘合：将a型环氧树脂胶和b型环氧树脂胶按照1：1的量混合均匀，混合制得的环氧树脂胶，然后采用环氧树脂胶将导线与碳布粘合，最终将粘合后的导线与碳布进行风干固定，即，制得如上的电极一3和电极二4；

电极一3和电极二4之间通过电阻5连接，在阳极室1中加入体积比为2:1的稻壳水解液和活性污泥，在阴极室2内加入硫酸银溶液；

在上述的s1步骤中，加入纤维素酶前取样，之后每半小时取一个样，测定水解液中葡萄糖浓度，待曲线平稳即水解完全，确定水解完全的时间，水解完全后将水解液稀释3倍装瓶放入冰箱备用。

稻壳水解时葡萄糖浓度随时间变化值见表1。

阳极室1和阴极室2之间设有通道6，在通道6内设有将所述通道隔断的质子交换膜7，该质子交换膜7由如下工艺制成：

b1、浸泡一：将pem基膜浸泡80℃的3％过氧化氢，浸泡时间为1h；

b2、冲洗一：将浸泡后的pem基膜放入80℃的去离子水中冲洗，冲洗时间为1h；

b3、浸泡二：将冲洗后的pem基膜放入80℃的硫酸溶液中浸泡，浸泡时间为1h；

b4、冲洗二：用80℃去离子水冲洗pem基膜1h，即，制得质子交换膜；

b5、封存：将质子交换膜放在去离子水中密封保存，当需要使用质子交换膜时，将封存的质子交换膜取出并在空气中自然风干。；

即，通道6和质子交换膜7形成反应器，该反应器的组装过程如下：将预处理过的质子交换膜放在通道的中间连接处，将阳极室和阴极室相连接。

然后，取300ml活性污泥放入阳极室，加入废水600ml，稻壳水解加入阳极室之后，同时加入适量的微量元素，质量浓度及组分分别为3.13g/lnahco3，0.13g/lkcl，6.338g/lna2hpo4，0.015g/lcacl2，0.200g/lmgso4·7h2o，6.8556g/lna2po4，0.020g/lmnso4·7h2o，0.31g/lnh4cl，此时ph为6。

硫酸银溶液配制过程工艺如下：取0.657g硫酸银溶解在900ml水中，将硫酸银溶液加入到阴极室，其中硫酸银微溶，溶解时放入超声波清洗机中30分钟，并用玻璃棒进行搅拌，直至硫酸银完全溶解为止。

活性污泥的预处理工艺如下：阳极区的活性污泥取自豆制品厂，取回后将其依次经过过滤、沉淀和淘洗后，在厌氧条件下保存备用，然后再将污泥驯化，将好氧污泥转化成厌氧污泥。

电极一3和电极二4之间还连接有与电阻5并联的无纸记录仪8。

在阳极室1上连接有一端伸入至阳极室1内的进液管11，在阳极室1上还连接有一端伸入至阳极室1内的取液管12，所述的进液管11竖直设置，取液管12竖直设置，进液管11的下端位于取液管12的下端侧下方。

所述的通道为玻璃通道。

所述的质子交换膜7周边与通道的内壁接触并固定。

在上述的s2和s3之间，水解后的稻壳滤渣进入燃烧发电厂，燃烧发电厂将水解后的稻壳进行燃烧发电。

在本实施例中，反应始终在室温下进行。

其次，mfc的阳极加入废弃稻壳的水解液，在两极间加入1000ω的外电阻，通过导线连接，在电阻两端接入无纸记录仪观察电压的变化，稻壳水解之后产生葡萄糖，具有可利用性，实现了利用废弃稻壳作为能源物质来产生电能。

本发明在外电阻接入1000ω时，可以获得的电压与功率密度分别为0.369mv与27.788mv/m^-2。在产电性能稳定后，改变外电阻的值，画出极化曲线与功率密度曲线以观察mfc性能，功率密度达到最大250.8mv/m²，此时外接电阻为2500ω。

本发明阳极液中葡萄糖浓度在80小时以后，葡萄糖浓度降0.05mg/ml。

本发明在80h之后电压并未下降，反而达到了周期内较高的值。说明mfc用来处理稻壳水解液是可持续的，电压是稳定的，并不会因为阳极液体短时间内供给不及时而带来电流供给不上的问题。

表1

实施例1

在外接电阻1000ω时记录其电压变化并测量其葡萄糖浓度，图3为实验过程中电压和葡萄糖浓度变化的变化。图4为得到的功率密度曲线。

在80小时以后，葡萄糖浓度达到了0.05mg/ml，但是电压未下降，反而达到了周期内较高的值，在80h时电压达到0.369mv。水解液中的葡萄糖被产电微生物消耗，开始产生电子。当微生物把葡萄糖消耗完，储存的能量依然能够释放电子。在300小时之后又加入第二次水解液，继续观察产电情况。

实施例2

本发明对以稻壳水解液为阳极室液体时的mfc产电性能做出探究

表2电压与电流密度与电阻阻值的关系

图5为计算出的结果所绘制的极化曲线与功率密度曲线。

电流密度是电压除以阳极碳布面积得到，将电压对电流密度作图得到极化曲线。电压与电流呈现线性关系。功率曲线的最高点表示系统得到的最大功率。当用单位面积电流计算功率时，得到的即为功率密度。极化曲线中电压不断下降，在某一固定电流下的电池电压损失被认为是由电极过电位和欧姆损失共同引起的。当电流密度为0.32ma/m^-2时，此时的功率密度达到最大值250.8mv/m²，外接电阻为2500ω，无纸记录仪读数0.388mv。之后功率密度快速下降。

在80h之后电压并未下降，反而达到了周期内较高的值。说明mfc用来处理稻壳水解液是可持续的，电压是稳定的，并不会因为阳极液体短时间内供给不及时而带来电流供给不上的问题。

实验对于得出的结果很理想，比起以往的废弃稻壳直接燃烧，利用微生物发电可以很好的处理稻壳成堆的问题，既避免了直接焚烧产生的环境影响，还可以产生电能。

由实施例1，2可见，本发明解决了废弃稻壳的处理问题，提高了能量的利用效率。且产生的电能并不落后与其他mfc，具有非常好的可行性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。