复合光催化剂与微生物燃料电池耦合系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于污水处理与能源回收利用技术领域，在微生物燃料电池系统中，将污水中的有机物作为燃料，在降解有机物的同时产生电能；并结合光催化剂，利用光能进一步增加污染物去除效率，增加能量输出。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是微生物技术与电池技术相结合的产物，利用微生物的代谢产物作为电极的活性物质，引起电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能，即将有机物的化学能直接转变为电能。其具有高效、环保、清洁的优点。然而，由于MFC的研究仍处于起步阶段，电极材料和催化剂成本较高，电池产能普遍较低，不足于进行对外输出，并且由于有限的生物质保留，使其出水水质差，需要进一步处理污水。
[0003]光催化反应是利用光能进行物质转换的方法之一，光催化剂收到大于其带隙能的光激发时，可产生具有高度活性的光生空穴/电子对，降解有机废水中的污染物。但是目前研究证明，其存在光量子效率和光活性较低的问题，如何提高光催化效率成为目前亟待解决的问题。目前多应用T12制备催化剂，需要紫外照射或易发生光腐蚀现象。BiVO4作为新型可见光催化剂，具有无毒，Eg小，稳定，耐候性好及环境良好等优良特性。因此将两者耦合，构建光催化剂/微生物燃料电池耦合系统，将太阳能引入到微生物燃料电池体系，能够实现太阳能和微生物燃料电池两大清洁能源的结合。同时有效提高微生物燃料电池产电率和对污染物的去除率，是一种具有巨大研究价值的新型微生物燃料电池。
[0004]Anhuai Lu等人将微生物燃料电池与T12光催化剂耦合，其最大的功率密度达到12.03W/m3，开路电压为519mV。1102作为阴极提高了阴极的电子传递效率，提高了量子转换效率。但并未报道其对污染物的降解率。(Energy Fuels2010，24，1184-1190:D01:10.1021/ef901053j)
[0005]PANI/Bi￥04复合光催化剂与微生物燃料电池耦合系统可以激发光催化剂的电子-空穴对，实现电子与空穴的分离，从而达到对废水的降解效果。耦合系统对罗丹明B的降解效果比光催化效果提高了 50%，最高降解效率为94% (30min内)。同时，PANI/BiV04复合光催化剂与微生物燃料电池耦合系统对无机氨氮废水亦有74%的降解率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种？4见作”04复合光催化剂与微生物燃料电池耦合系统，解决了催化剂成本高不稳定、污染物去除率低的问题。
[0007]本发明的技术方案是:一种PANI/BiV04复合光催化剂与微生物燃料电池耦合系统，步骤如下:
[0008]I) BiVO4催化剂制备:按照BiNO 3与HNO 3摩尔比为1:32将BiNO 3.5H20溶于4molL 1的HNO 3溶液中得到混合溶液A，按照NH ^03与NaOH摩尔比为1:32将NH 4￥03溶于4molL 1的NaOH溶液中得到混合溶液B ;然后分别向上述两种混合溶液中加入0.lmol/L的表面活性剂CTAB，CTAB与BiNO3的摩尔比为I，搅拌0.5h，按照BiNO 3.5H20和順4￥03摩尔比1:1将上述两混合溶液混合，调节pH值至5，搅拌0.5h，得到混合溶液C ;将混合溶液C置于反应釜中，120°C -200°C条件下水热合成，降至室温，将产物用去离子水和无水乙醇洗涤去除残液，干燥，即得BiVO^f化剂粉体用研钵仔细研均匀，备用；
[0009]2)PANI/BiV04复合光催化剂制备:向步骤I)得到的混合溶液C中添加不同比例的PANI，继续搅拌0.5小时制备前驱液，水热原位合成PANI/BiV04复合光催化剂；电极组件制备:以S12计，按照25%的分散量将PANI/BiVO 4复合光催化剂溶于酸性硅溶胶，搅拌，超声，使其充分分散，均匀涂覆在不锈钢网电极上，制得电极组件；
[0010]3)光催化反应器:将反应电极浸没在模拟废水罗丹明B中，将卤素灯置于罗丹明B液面正上方，底部注入曝气头，进行曝气；光催化反应器运行:定时采样，用紫外-可见分光光度计测其吸光度，分析罗丹明B浓度变化；
[0011]4)MFC耦合反应器:采用双室反应器，将碳颗粒置于阳极室内，阳极为厌氧环境；罗丹明B或氨氮模拟废水置于阴极室，阴极室底部设有曝气；阳极室与阴极室由质子交换膜隔开，可放置光源于阴极室外；置于阳极室内碳颗粒接种产电希瓦式菌；MFC反应器运行:阴极采用不锈钢网负载？4见作”04复合型光催化剂，阳极采用碳棒电极，连接电阻，用铜线连通电路，定时采样分析罗丹明B浓度变化。
[0012]本发明的效果和益处是将MFC与新型？六见/8”04复合光催化剂，能够实现太阳能和微生物燃料电池两大清洁能源的结合，同时有效提高微生物燃料电池产电率和对污染物的去除率，提高催化剂效率与稳定性。
【附图说明】
[0013]图1 PANI/BiV04复合型光催化剂与微生物燃料电池耦合系统降解罗丹明B效果图。
[0014]图中:横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示Ct/C。，方形、圆点、三角形分别代表BiVO4*催化降解污染物效果、BiVO4在耦合系统降解污染物效果、PANI/BiVO4(5% )复合催化剂在耦合系统降解污染物效果；说明光催化剂耦合MFC系统对罗丹明B的降解效果显著。BiVO4親合MFC系统比BiVO 4光催化降解效果提高了 48%。且在BiVO 4掺杂PANI可抑制光生电子与空穴的复合，显著提高BiVO4的光催化活性，耦合系统反应2小时对罗丹明B的降解效果达84%。
[0015]图2光催化反应与MFC耦合系统(无光)降解效果对比图。
[0016]图中:横坐标表不时间，单位min，纵坐标表不Ct/C。，方形、圆点分别代表BiVOz^催化效果、BiV(V^ MFC耦合系统(无光)降解效果。
[0017]图3 ?六1?/^￥04与MFC耦合系统降解NH 4+废水效果图。
[0018]图中:横坐标表示时间，单位min，纵坐标表示Ct/C。，正方形、圆点、三角形分别代表MV初始浓度30mg/L、50mg/L、100mg/L，由图我们可以得出耦合系统对无机废水也具有较强的降解能力，其对30mg/L NH4+废水的降解率为73%，且实验中未检出NO 3、NO2，说明耦合系统对NH4+废水的降解较彻底，无中间产物。
【具体实施方式】
[0019]以下结合技术方案和附