一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法

摘要

本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法。所述方法具体为：以常规微生物脱盐电池为基础，利用活性炭颗粒和碳纳米管的混合材料作为流动电极，利用流动电极对电子的捕获能力和传递能力实现系统性能的提升，可在实现高效去除污水中有机物、降低高盐度废水中离子浓度的同时提高电能产生。本发明所提供的方法成本低、运行简便、效果优异，并且所述的流动电极还可以通过静置沉淀重复利用，在解决水资源短缺问题方面具有巨大潜力。

权利要求

1.一种用于同步淡化海水和处理污水的流动电极式微生物脱盐电池，其特征在于，包括：微生物脱盐电池，所述微生物脱盐电池由阴极室、阳极室和脱盐室组成，固定的阳极和阴极分别在阳极室和阴极室内，所述阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开；流动电极是由活性炭颗粒和多壁碳纳米管混合材料制成，在阳极室和阴极室皆有分布；

所述流动电极的浓度为2～4wt％活性炭颗粒和0.25～0.5wt％的多壁碳纳米管；

所述活性炭颗粒的直径为74‑90μm，多壁碳纳米管的外径：8‑15nm，长度：50～60μm。

2.如权利要求1所述的用于同步淡化海水和处理污水的流动电极式微生物脱盐电池，其特征在于，包括：阳极室流动电极通过机械搅拌混匀，阴极室流动电极通过曝气混匀。

3.如权利要求1所述用于同步淡化海水和处理污水的流动电极式微生物脱盐电池，其特征在于，固定的阴极和阳极由碳材料或铂电极制成。

4.如权利要求1所述用于同步淡化海水和处理污水的流动电极式微生物脱盐电池，其特征在于，固定的阴极和阳极通过钛丝连接，并连接到外电阻。

5.一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法，其特征在于，包括：在权利要求1‑4任一项所述微生物脱盐电池的阳极室和阴极室分别加入流动电极，得到流动电极式微生物脱盐电池；

工作时，采用所述流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水，即得；

其中，流动电极为活性炭颗粒和多壁碳纳米管的混合材料；

所述微生物脱盐电池由阴极室、阳极室和脱盐室组成；

阴极室、阳极室处理污水，脱盐室处理海水。

6.如权利要求5所述的利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法，其特征在于，海水不限于实际海水，还包括其他盐度较高的水；所述污水包括但不限于生活污水。

说明书

一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污

水的方法

技术领域

[0001] 本发明属于海水淡化和污水治理领域，具体涉及一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

[0003] 随着人们对安全和清洁水资源的需求不断增加，开发先进高效技术生产更多可用的水资源成为目前亟需解决的难题。微生物脱盐电池作为一种新兴技术，能够同时产生电能、淡化海水和处理废水。与传统的废水处理和海水淡化工艺相比，微生物脱盐电池被证明是一种节能、经济和环境可持续的技术。在微生物脱盐电池系统中，有机物在阳极室中被降解为二氧化碳，同时也为阳极提供电子用于发电。在发电过程中，阳极室和阴极室分别产生氢离子和氢氧根离子，导致两个室之间的阴阳离子浓度失衡。离子失衡促进离子跨膜运动，然后实现海水淡化。因此微生物脱盐电池在废水处理和海水淡化过程中减少了能源需求并产生电能，使其在解决水资源短缺问题方面具有巨大潜力。

[0004] 但电子转移效率等缺点影响了微生物脱盐电池的性能，并限制了该技术的实际使用。开发高效电极是增强微生物脱盐电池中电子转移并进一步促进废水处理和海水淡化的有效方法。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供一种利用新型流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法，该方法利用流动电极促进阴阳极的电子传递从而达到提升系统性能的效果，在解决水资源短缺问题方面具有巨大应用潜力。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 本发明的第一个方面，提供了一种利用流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法，包括：

[0008] 在微生物脱盐电池的阳极室和阴极室分别加入流动电极，得到流动电极式微生物脱盐电池；

[0009] 工作时，采用所述流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水，即得；

[0010] 其中，流动电极为活性炭颗粒和碳纳米管的混合材料；

[0011] 所述微生物脱盐电池由阴极室、阳极室和脱盐室组成；

[0012] 阴极室、阳极室处理污水，脱盐室处理海水。

[0013] 近年来流动电极在电容去离子技术领域得到应用，流动电极不仅能够促进电子转移，还可以在脱盐过程中再循环，因此无需放电过程即可实现连续脱盐。

[0014] 受电容去离子技术系统中流动电极的启发，本发明提出了一种新型流动电极式微生物脱盐电池。流动电极可以均匀分布在阴阳极液中并快速收集电子，之后将电子转移至电极。相比于传统的微生物脱盐电池，该技术具有产电能力强，有机物去除速率快，脱盐效率高等优势。

[0015] 本发明的第二个方面，提供了一种用于同步淡化海水和处理污水的流动电极式微生物脱盐电池，包括：微生物脱盐电池，所述微生物脱盐电池由阴极室、阳极室和脱盐室组成，固定的阳极和阴极分别在阳极室和阴极室内，所述阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开；所述流动电极是由活性炭颗粒和碳纳米管混合材料制成，在阳极室和阴极室皆有分布。

[0016] 本发明的有益效果

[0017] (1)流动电极较大的比表面积有利于产电微生物的附着生长，可以通过提高产电微生物的生物量提高系统性能；

[0018] (2)流动电极均匀分布在系统中，可以捕获溶液中较低浓度的有机物，并结合碳纳米管将电子转移至固定阳极，有利于电能提升和有机物去除；

[0019] (3)活性炭和碳纳米管的组合形式有利于电子的捕获和传递，可以降低系统内阻，增大产电量。

[0020] (4)系统产电量提升可以增加阴阳极室离子浓度差，进而提高系统脱盐效率。

[0021] (5)流动电极在溶液中会缓慢沉淀，因此可在系统连续运行过程中通过静置沉淀的方式回收利用。

[0022] (6)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。

附图说明

[0023] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0024] 图1为本发明实施例1中流动电极式微生物脱盐电池的结构示意图；

[0025] 图2为本发明实施例1中流动电极式微生物脱盐电池的产电效果；

[0026] 图3为本发明实施例1中流动电极式微生物脱盐电池的脱盐效果。

具体实施方式

[0027] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0028] 正如背景技术所介绍的，现有技术中，微生物脱盐电池存在产电效率低，有机物去除能力差，脱盐效果不佳等缺点。电极优化是提升其性能的重要手段，但目前对电极的优化仅限于固定电极，且已进入研究瓶颈，限制了该技术的广泛应用。

[0029] 为了解决如上的技术问题，本发明提供一种利用新型流动电极式微生物脱盐电池同步淡化海水和处理污水的方法，具体为：以常规微生物脱盐电池为基础，利用活性炭颗粒和碳纳米管的混合材料作为流动电极，利用流动电极对电子的捕获能力和传递能力实现系统性能的提升。

[0030] 本发明所述的微生物脱盐电池是由阴极室、阳极室和脱盐室组成，其中固定的阳极和阴极分别在阳极室和阴极室内。

[0031] 在一些实施例中，所述微生物脱盐电池主体结构由玻璃、有机玻璃等材料制成；

[0032] 在一些实施例中，所述阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开；

[0033] 在一些实施例中，固定的阴阳极电极由碳材料或铂电极等电极材料制成；

[0034] 在一些实施例中，所述固定的阴阳极通过钛丝连接，并连接到外电阻。

[0035] 本发明所述的流动电极是由活性炭颗粒和碳纳米管混合材料制成，流动电极以一定浓度加入阳极室和阴极室中。

[0036] 在一些实施例中，所述流动阳极通过磁力搅拌混匀，流动阴极通过曝气混匀，同时曝气可以为阴极反应提供电子受体。

[0037] 本发明所述的流动电极式微生物脱盐电池可同步淡化海水和处理污水，所述海水不限于实际海水，还包括其他盐度较高的水；所述污水包括但不限于生活污水。

[0038] 在一些实施例中，所述系统驯化阶段需要向阳极加入活性污泥，驯化时间为15天至30天直至系统产电稳定。

[0039] 下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

[0040] 实施例1

[0041] 构建的流动电极式微生物脱盐电池由阳极室、中间脱盐室和阴极室组成，如图1所示。阳极室和阴极室(长60毫米，高60毫米，宽44毫米)具有相同的有效容积28毫升，脱盐室(长60mm，高60mm，宽10mm)的有效容积约为6.5mL。阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，使脱盐室中的阴离子可以迁移到阳极室中。阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开，可以允许阳离子从脱盐室迁移到阴极室。矩形碳布(长20毫米，宽10毫米)被用作系统中的固定阳极和阴极。阳极和阴极通过钛丝连接到1000Ω的外部电阻。在流动电极式微生物脱盐电池系统中额外添加流动电极到阳极液和阴极液中。流动电极由活性炭颗粒(直径：74‑90μm)和多壁碳纳米管(外径：8‑15nm，长度：50μm)组成。实验前流动电极在去离子水中进行超声清洗。为了避免通道堵塞，流动电极的浓度为2wt％活性炭颗粒和0.25wt％的碳纳米管。阳极液和阴极液是人工废水，含有(每升去离子水)：640mg/L乙酸钠(～500mg/L COD)、200mg/L NH4Cl、100mg/L KCl、100mg/L MgCl2·6H2O、100mg/L CaCl2·2H2O、300mg/L NaHCO3、40mg/L KH2PO4和10mL微量矿物质溶液。在适应阶段，阳极室接种来自市政污水处理厂的厌氧污泥(10％，v/v)，驯化时间为30天。阳极液用磁力搅拌器混合(60rpm)，阴极液用空气泵充气，系统在大约30℃的稳定温度下运行。中间脱盐室为NaCl溶液，NaCl浓度为35g/L(接近海水)。
实施例1采用序批式运行方式，使用没有流动电极的微生物脱盐电池系统作为对照组。

[0042] 流动电极式微生物脱盐电池的产电性能如图2所示，其最大电压约为0.58V，高于对照组的0.54V，并且两者差异在24h之后更加明显，常规微生物脱盐电池在24h之后产电接近零，而流动电极式微生物脱盐电池仍然可以产生约0.2V的电压，这是由于24h之后系统中有机物浓度降低，传统低浓度有机物很难通过传质作用被电极利用，而流动电极均匀分布在系统内部，可以捕获剩余有机物，因此可以产生较高电压。流动电极式微生物脱盐电池对有机物的去除率也更高，达到86％，高于对照组的79％。更多的电流产生会加大阴阳极正负离子浓度差，因此更有利于脱盐效果。如图3所示，流动电极式微生物脱盐电池的脱盐效率达59.7％，高于对照组的52.9％。因此使用流动电极可以全面提升系统的产电能力、污染物去除率和脱盐效果，具有较大的应用潜力。

[0043] 实施例2

[0044] 构建的流动电极式微生物脱盐电池由阳极室、中间脱盐室和阴极室组成，如图1所示。阳极室和阴极室(长60毫米，高60毫米，宽44毫米)具有相同的有效容积28毫升，脱盐室(长60mm，高60mm，宽10mm)的有效容积约为6.5mL。阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，使脱盐室中的阴离子可以迁移到阳极室中。阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开，可以允许阳离子从脱盐室迁移到阴极室。矩形碳布(长20毫米，宽10毫米)被用作系统中的固定阳极和阴极。阳极和阴极通过钛丝连接到1000Ω的外部电阻。在流动电极式微生物脱盐电池系统中额外添加流动电极到阳极液和阴极液中。流动电极由活性炭颗粒(直径：74‑90μm)和多壁碳纳米管(外径：8‑15nm，长度：55μm)组成。实验前流动电极在去离子水中进行超声清洗。为了避免通道堵塞，流动电极的浓度为3wt％活性炭颗粒和0.375wt％的碳纳米管。阳极液和阴极液是人工废水，含有(每升去离子水)：640mg/L乙酸钠(～500mg/L COD)、200mg/L NH4Cl、100mg/L KCl、100mg/L MgCl2·6H2O、100mg/L CaCl2·2H2O、300mg/L NaHCO3、40mg/L KH2PO4和10mL微量矿物质溶液。在适应阶段，阳极室接种来自市政污水处理厂的厌氧污泥(10％，v/v)，驯化时间为22天。阳极液用磁力搅拌器混合(60rpm)，阴极液用空气泵充气，系统在大约30℃的稳定温度下运行。中间脱盐室为NaCl溶液，NaCl浓度为35g/L(接近海水)。
实施例2采用序批式运行方式，使用没有流动电极的微生物脱盐电池系统作为对照组。

[0045] 实施例3

[0046] 构建的流动电极式微生物脱盐电池由阳极室、中间脱盐室和阴极室组成，如图1所示。阳极室和阴极室(长60毫米，高60毫米，宽44毫米)具有相同的有效容积28毫升，脱盐室(长60mm，高60mm，宽10mm)的有效容积约为6.5mL。阳极室和脱盐室由阴离子交换膜隔开，使脱盐室中的阴离子可以迁移到阳极室中。阴极室和脱盐室由阳离子交换膜隔开，可以允许阳离子从脱盐室迁移到阴极室。矩形碳布(长20毫米，宽10毫米)被用作系统中的固定阳极和阴极。阳极和阴极通过钛丝连接到1000Ω的外部电阻。在流动电极式微生物脱盐电池系统中额外添加流动电极到阳极液和阴极液中。流动电极由活性炭颗粒(直径：74‑90μm)和多壁碳纳米管(外径：8‑15nm，长度：60μm)组成。实验前流动电极在去离子水中进行超声清洗。为了避免通道堵塞，流动电极的浓度为4wt％活性炭颗粒和0.50wt％的碳纳米管。阳极液和阴极液是人工废水，含有(每升去离子水)：640mg/L乙酸钠(～500mg/L COD)、200mg/L NH4Cl、100mg/LKCl、100mg/L MgCl2·6H2O、100mg/L CaCl2·2H2O、300mg/L NaHCO3、40mg/LKH2PO4和10mL微量矿物质溶液。在适应阶段，阳极室接种来自市政污水处理厂的厌氧污泥(10％，v/v)，驯化时间为15天。阳极液用磁力搅拌器混合(60rpm)，阴极液用空气泵充气，系统在大约30℃的稳定温度下运行。中间脱盐室为NaCl溶液，NaCl浓度为35g/L(接近海水)。
实施例3采用序批式运行方式，使用没有流动电极的微生物脱盐电池系统作为对照组。

[0047] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。