一种微生物电解池阳极用电极棒及其制备方法与流程

本发明涉及废水处理及微生物电解池
技术领域：
，具体涉及一种微生物电解池阳极使用的电极棒以及制备方法。
背景技术：
：微生物电解池（microbialelectrolysiscell，mec）是在电化学、微生物学、过程工艺学等学科交叉与综合的基础上所构建的体系。mec的基本原理为：在阳极室，微生物作为催化剂发生生物催化反应，微生物氧化阳极室内基质中的某些组分（如乙酸盐、葡萄糖等），生成二氧化碳、质子、电子，产生的电子传递到阳极表面，随后通过外电路传递到阴极表面，质子则通过扩散方式到达阴极室；在阴极室，扩散到阴极表面的质子和电子结合生成氢气、甲烷等产物。mec因其在原理上所展现出从废水中高效回收生物能源的巨大潜力而成为环境前沿领域新技术之一，目前mec不仅对生活污水、工业废水及难降解有机废水有良好的处理效果，同时可回收h2、ch4、h2o2、甲酸等资源。微生物电解池的阳极作为生物膜的主要形成场所，对微生物的附着、生长及电子转移等的影响尤其明显，目前公开的技术中多采用铁阳极-微生物电解池系统用于废水处理和能源回收。但该铁阳极-微生物电解池在实际应用中容易发生铁电极的腐蚀现象，且随着时间的累积，铁电极腐蚀现象愈加严重，最后造成电极板结，导电能力严重下降，从而大大降低了铁电极的使用寿命，限制了铁阳极-微生物电解系统在实际废水处理中的推广应用。为了缓解铁电极腐蚀板结问题，一些研究者采用在铁电极中掺入其他金属材料（形成合金材料）或将其置于厌氧环境中等缓解措施，尽管以上方法都在一定程度上减缓了铁电极的腐蚀速度，但由于其成本高及运行环境要求苛刻等原因在一定程度上限制了其在微生物电解池中的应用。技术实现要素：本发明提供了一种适用于微生物电解池的阳极用电极棒，具体的方案是在通常的电极外包裹一层由金属粉、水泥、细沙混合制成的防腐层，构成阳极用电极棒。所述电极棒在保证导电性能的前提下，将电极与空气或溶液中的氧气隔绝，减缓了其腐蚀速度，同时水泥成分的存在增加了电极的强度，使得电极具有更好的机械性能，从而延长了微生物电解池中电极的使用寿命。所述电极的材料可以是任何适用于做微生物电解池阳极的金属，防腐层中的金属粉优选采用与所述电极材料相同金属属性的金属制备，也可以采用不同金属属性的金属制备。金属粉的掺入量以不过分降低防腐层强度为宜，金属粉的颗粒尺寸小于细沙颗粒尺寸。本发明给出的防腐层材料成分优选的比例是：水泥、细沙、金属粉体积比为3-5:1:1-3。为防止电解池溶液从电极棒引出电极线的端部渗入，还可以在此端部覆盖一层树脂加以阻挡。此外，本发明还提供了所述微生物电解池阳极用电极棒的制备方法，所述方法包括如下步骤：（1）水泥、细沙、金属粉按体积比为3-5:1:1-3的比例混合，配制成防腐浆液；其中的水泥可以采用通常的建设用水泥。（2）将电极线呈螺旋状缠绕在金属棒上得到金属电极体。（3）将金属电极体悬置于内部尺寸大于金属电极尺寸且一端开口的内空模具中，从模具开口端浇筑上述防腐浆液至完全包裹金属电极，待固化完成后移除模具得到阳极用防腐电极棒。附图说明图1是本发明的结构示意图。图2是本发明实施例中防腐铁电极与普通铁电极的tafel曲线对比图。图3是本发明实施例中防腐铁电极与普通铁电极使用测试结果图。附图中：1.电极线；2.金属棒；3.防腐层。具体实施方式下面以使用较多的金属材料-铁为例，详细描述本发明的技术方案以及获得的技术效果，便于更好地了解本发明。1.配制防腐浆液：本实施例选80μm方孔筛筛余不得超过10%的525硅酸盐水泥、粒径为0.25～0.0625mm的细沙、过100目筛的铁粉为制作防腐浆液的材料。取80ml的525硅酸盐水泥、20ml的细沙、60ml的铁粉，按体积比为4:1:3的比例混合，再量取80ml水加入后，充分搅拌均匀，得到防腐浆液。2.准备铁电极：选择一根直径为13mm、长度为13cm的圆柱铁棒，用砂纸打磨抛光去掉铁棒表面的氧化层，将直径为1mm的导线从铁棒底部呈螺旋状缠绕至铁棒顶端，并在顶端作好固定，得到铁电极。3.将防腐浆液包裹于铁电极外层：用亚克力板制作一个直径为22mm、长为13cm的空心圆筒模具，将上述步骤2得到的铁电极置于模具中心位置，先从模具上端一侧均匀浇筑步骤1所得的防腐浆液，待一侧装满后，转移至另一侧浇筑，直至浆液均匀填满整个模具。4.电极接口处理：取适量环氧树脂涂抹于覆盖有防腐浆液的铁电极与导线的端口处。5.固定化防腐铁电极：将上述步骤3的防腐铁电极平放在托盘内，在室温条件下放置通风干燥的地方固化3d，待防腐铁电极完全固化后，轻轻移除圆筒模具，便得到所述防腐铁电极。防腐铁电极的剖面示意图如图1所示。6.实验测试：实验在三电极体系中进行，在2组容积为3l的有机玻璃反应器中，加入2/3体积的清水，将上述步骤5所得的防腐铁电极放置于一组反应器中部，将上述步骤2所得的铁电极放置于另一组反应器中部，设置防腐铁电极和铁电极为工作电极，辅助电极为pt电极，参比电极为饱和甘汞电极。将工作电极、辅助电极、参比电极的电极线与电化学工作站chi604e相应的接口相连，测量tafel曲线，tafel曲线的测量扫描速率为10mv/s，扫描范围为-2.0-0.2v。图2为本发明实施例中防腐铁电极与普通铁电极的塔菲曲线对比图。实验中对这些曲线的tafel强极化区的阴阳极曲线进行拟合，结果如表1所示。由图2可看出，防腐铁电极的腐蚀电势ecorr与铁电极相比发生负移，而且其钝化区间比普通铁电极明显，同时由表1可以看出包裹后的防腐铁电极的腐蚀电流icorr比未经包裹处理的普通铁电极的腐蚀电流小，这表明防腐铁电极的耐腐蚀性能与普通铁电极相比有明显的改善。根据经典的tafel极化曲线理论认为，电极的极化是由于电极的反应速度跟不上电子移动速度而造成的电荷在电极界面的积累。电极极化度()是极化曲线斜率的导数，代表电极的极化倾向，亦反映了电极反应电阻的大小。极化曲线斜率越小，则极化度越高，电极的极化倾向越强，电极的电子运动速率较快；同时极化度越高，也代表电极的反应电阻较大，电极反应过程不易进行，电极反应速率低。从表1中tafel参数可以看出防腐铁电极的阳极极化曲线的斜率βa和阴极极化曲线的斜率βc均比普通铁电极的低。由此可见防腐铁电极的极化度较普通铁电极的高，极化的倾向较强，电极的电子移动速率较快，导电性能好；同时也反映了防腐铁电极的反应电阻较大，而电极的腐蚀速率较慢，这与防腐铁电极的腐蚀电流icorr较小相符。由此可见对铁电极进行包裹后形成的防腐铁电极比普通铁电极具有较强的耐腐性能，同时由于包裹浆液含有大量的铁粉增强了防腐铁电极的电子转移速率，在增强微生物电解池电子转移能力的同时可有效延长微生物电解池的使用寿命。7.使用寿命测试：以上述步骤6的电化学测试反应体系为基础，实验组以防腐铁电极为阳极，阴极为pt电极，对照组以未经包裹处理的铁电极为阳极，阴极与实验组一致。同时在实验组和对照组的阴阳极两端加载0.6v的电压，模仿微生物电解池的运行环境。随着电解池的运行，发现对照组的普通铁电极表面逐渐被腐蚀，且反应器中的水溶液逐渐变黄，而实验组的防腐铁电极表面并未发生变化，反应器的水溶液也未变黄。随着电解池系统的继续运行，当系统运行3个月后，对照组的普通铁电极已被严重腐蚀板结，且铁棒的直径明显减少（见图3a），电极反应器的底部已积攒一层黄色的铁锈，而实验组的防腐铁电极却未发生明显的腐蚀现象（见图3b）。由此进一步验证所制备的防腐铁电极耐腐性能显著，可有效延长其在微生物电解池中的使用寿命。表1：防腐铁电极与铁电极tafel参数数据表ecorr(v)icorr(a)βaβc普通铁电极-0.3795.578×10-75.7197.161防腐铁电极-0.8443.635×10-74.9695.406当前第1页12