申請(qǐng)日2015.07.31

　　公開(公告)日2015.12.02

　　IPC分類號(hào)C02F3/34; C02F101/30; C02F101/22

　　摘要

　　本發(fā)明提供的是一種利用電容性生物陽極MFC的間歇操作去除廢水中重金屬鉻的方法。(1)、首先將陽極室引入含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液，并加入MFC反應(yīng)溶液進(jìn)行接種，構(gòu)成陽極液;陰極室引入鐵氰化鉀溶液作為陰極液;定期更換陽極液和陰極液，直至輸出電壓穩(wěn)定到最高值;(2)、將含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液加入陽極室，用含鉻廢水替換陰極室的鐵氰化鉀溶液，采用“開路-閉路-開路-閉路”循環(huán)間歇運(yùn)行的方式操作MFC，開路、閉路時(shí)間分別為0.1～1h。本發(fā)明采用電容性生物陽極MFC的間歇操作去除陰極室的污染物具有處理效果較好、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種利用電容性生物陽極MFC的間歇操作去除廢水中重金屬鉻的方法，其特征是：

　　(1)、首先將陽極室引入含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液，并加入MFC反應(yīng)溶液進(jìn)行接種， 構(gòu)成陽極液;陰極室引入鐵氰化鉀溶液作為陰極液;定期更換陽極液和陰極液，直至輸出電 壓穩(wěn)定到最高值，MFC的啟動(dòng)過程完成;

　　(2)、將含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液加入陽極室，用含鉻廢水替換陰極室的鐵氰化鉀 溶液，采用“開路-閉路-開路-閉路”循環(huán)間歇運(yùn)行的方式操作MFC，開路、閉路時(shí)間分別為 0.1～1h。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電容性生物陽極MFC的間歇操作去除廢水中重金屬鉻的方 法，其特征是：開路、閉路時(shí)間優(yōu)選為10min，即按照如下順序循環(huán)操作：先開路10min儲(chǔ) 存電子，10min后將電路閉合電子傳遞到陽極表面由陽極經(jīng)由導(dǎo)線傳遞到陰極，六價(jià)鉻在陰 極表面得到電子被還原成三價(jià)鉻，閉路10min后再開路10min存儲(chǔ)電子，然后再閉路10min 釋放電子處理含鉻廢水。

　　說明書

　　利用電容性生物陽極MFC的間歇操作去除廢水中重金屬鉻的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及的是一種廢水處理方法，具體地說是利用電容性生物陽極微生物燃料電池的 間歇操作處理廢水的方法。

　　背景技術(shù)

　　MFC是利用微生物為陽極催化劑，將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的理想裝 置。Logan等同步微生物產(chǎn)電和污水生物處理的研究同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢棄物處理和清潔電能生 產(chǎn)，為同時(shí)解決能源問題和保護(hù)環(huán)境提供了一個(gè)全新思路。微生物燃料電池不僅能去除陽極 室的污染物，同時(shí)陰極室內(nèi)利用陰極上得到的電子也可以實(shí)現(xiàn)水中污染物的去除(如脫氮、 脫氯、除鉻、偶氮染料脫色等)。

　　MFC陰極室內(nèi)污染物的去除效果與MFC的輸出電流大小有關(guān)，為提高陰極室污染物的去除 率就應(yīng)提高M(jìn)FC的輸出電流。但基于MFC自身的特點(diǎn)，MFC的輸出電流的增大幅度是有限的，目 前研究的一有效方案就是首先將電能存儲(chǔ)起來，然后再按要求釋放。帶有電容性生物陽極的 MFC就是這么一種裝置，也稱帶有內(nèi)電容的MFC系統(tǒng)，即在MFC中采用電容性生物陽極，將電容 材料和生物陽極組合在一起，使MFC既能產(chǎn)電又能儲(chǔ)能。該系統(tǒng)間歇操作，即“開路—閉路— 開路—閉路”循環(huán)，開路時(shí)將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在生物電容中，閉路時(shí)產(chǎn)生的電流為儲(chǔ)存的和 MFC產(chǎn)生的兩部分之和，整個(gè)過程使MFC系統(tǒng)處于一“暫態(tài)”，因此大大提高了電流輸出，從而 提高陰極室內(nèi)污染物的去除效果。

　　近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，鉻及其化合物在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，特別是機(jī)械、 航空、醫(yī)療器械等工業(yè)的電鍍車間，由于一些污染事故或未經(jīng)處理的含鉻廢水的排放，對(duì)環(huán) 境會(huì)造成很大危害。在鉻及其化合物中，金屬鉻沒有毒性，三價(jià)鉻毒性較小，水中鉻污染主 要來源于六價(jià)鉻，它的毒性比三價(jià)鉻約高一百倍。鉻化物可以通過消化道、呼吸道、皮膚和 粘膜侵入人體，并積累在肝、腎、內(nèi)分泌系統(tǒng)和肺部等器官，長(zhǎng)時(shí)間接觸含鉻化合物會(huì)對(duì)人 體有致癌作用。目前，六價(jià)鉻還原降解研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，常用的處理方法包 括化學(xué)法、物理法、電化學(xué)法和生物法等，各種處理方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，而實(shí)際水處理工程 中常常使用多種方法聯(lián)用，以達(dá)到最佳處理效果，降低處理成本。由于目前的含鉻廢水的處 理方法還存在一定的不足，因而在原處理方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高處理效率，加 快含鉻廢水的無毒無害化處理，成為一個(gè)新的研究方向。

　　采用微生物燃料電池處理廢水是近幾年的研究熱點(diǎn)，它在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能，降 低了廢水的處理成本，可最大限度地實(shí)現(xiàn)污水處理的可持續(xù)發(fā)展。因此在污水處理領(lǐng)域利用 電池技術(shù)處理廢水無疑是污水處理理念的重大革新，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效去除廢水中六價(jià)重金屬鉻的利用電容性生物陽極 MFC的間歇操作去除廢水中重金屬鉻的方法。

　　本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

　　1、首先將陽極室引入含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液，并加入MFC反應(yīng)溶液進(jìn)行接種，構(gòu) 成陽極液;陰極室引入鐵氰化鉀溶液作為陰極液;定期更換陽極液和陰極液，直至輸出電壓 穩(wěn)定到最高值，MFC的啟動(dòng)過程完成;

　　2、將含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液加入陽極室，用含鉻廢水替換陰極室的鐵氰化鉀溶液， 采用“開路-閉路-開路-閉路”循環(huán)間歇運(yùn)行的方式操作MFC，開路、閉路時(shí)間分別為0.1～ 1h。

　　開路、閉路時(shí)間優(yōu)選為10min，即先開路10min儲(chǔ)存電子，10min后將電路閉合電子傳遞 到陽極表面由陽極經(jīng)由導(dǎo)線傳遞到陰極，六價(jià)鉻在陰極表面得到電子被還原成三價(jià)鉻，閉路 10min后再開路10min存儲(chǔ)電子，然后再閉路10min釋放電子處理含鉻廢水，如此循環(huán)操作。

　　電容性生物陽極微生物燃料電池是新近提出的一種同步產(chǎn)電和儲(chǔ)能的MFC，具有提高輸 出電流的功能，因此采用該MFC間歇運(yùn)行處理污染物，可以使陰極污染物還原、去毒的速率 更快、效率更高。以含鉻廢水中的六價(jià)鉻作為陰極的電子受體，構(gòu)建同步產(chǎn)電和存能的MFC， 將其用于處理含六價(jià)鉻的廢水，與普通電化學(xué)法相比，不用外加電能，而且可以在處理廢水 的同時(shí)產(chǎn)生電能，降低了處理成本;與普通連續(xù)閉路運(yùn)行的微生物燃料電池處理含鉻廢水系 統(tǒng)相比帶有電容性生物陽極的微生物燃料電池的間歇運(yùn)行使其處于暫態(tài)狀態(tài)具有提高輸出電 量和輸出電流的功能，因此比普通連續(xù)閉路運(yùn)行的微生物燃料電池具有更高的處理效率，閉 路的單位時(shí)間內(nèi)可以去除更多的污染物，本發(fā)明提出的利用電容性生物陽極MFC的間歇操作 處理廢水的方法具有較大的發(fā)展前景。

　　本發(fā)明由容器、陽極、陰極、隔膜等構(gòu)成MFC系統(tǒng)，所述的電容性生物陽極由基體和表 面的電容材料組成，基體可為碳纖維、碳紙、碳?xì)�、石墨板或不銹鋼等中的一種，電容材料 可采用超級(jí)電容器使用的任意一種電容材料，如任意一種碳材料、贗電容材料材料或是碳材 料和贗電容材料的復(fù)合材料。所述的陰極為石墨板等不溶性電極的一種，所述的容器為反應(yīng) 器即雙室微生物燃料電池。反應(yīng)器的組成包括陰極室和陽極室，陰極室和陽極室之間由質(zhì)子 交換膜隔開，陽極置于陽極室內(nèi)部，陰極置于陰極室內(nèi)部，陰極室和陽極室下端和上端分別 設(shè)有進(jìn)水口與和出水口，陽極室上部由密封蓋密封，兩極間通過導(dǎo)線連接，并與負(fù)載連接組 成閉合回路。可以在陰極室設(shè)有攪拌器攪拌，以保證溶液的均勻混合和高效產(chǎn)電。

　　本發(fā)明提供的一種利用電容性生物陽極微生物燃料電池的間歇操作高效去除廢水中重金 屬Cr(6+)的新方法的主要技術(shù)特征包括：

　　1、MFC的啟動(dòng)：首先將陽極室引入含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉的溶液，并加入其他MFC反應(yīng) 器中的溶液進(jìn)行接種，陰極室引入鐵氰化鉀溶液，定期更換陽極液和陰極液，直至輸出電壓 穩(wěn)定到最高值，MFC的啟動(dòng)過程完成。

　　2、電容性生物陽極MFC的間歇操作高效去除廢水中Cr(6+)：將含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和乙酸鈉 的溶液加入陽極室，用含鉻廢水替換陰極室的鐵氰化鉀溶液，MFC的操作采用“開路-閉路- 開路-閉路”循環(huán)間歇運(yùn)行的方式，開路、閉路時(shí)間分別為0.1～1h。本發(fā)明采用開路、閉路 時(shí)間均為10min，即先開路10min，此時(shí)陽極室內(nèi)產(chǎn)電菌降解有機(jī)物釋放出電子，電子由微生 物傳遞給聚苯胺或二氧化錳等電容材料，將電子儲(chǔ)存在生物電容中，10min后將電路閉合， 此時(shí)已存在生物電容中的電子會(huì)由電容器釋放到陽極表面，同時(shí)產(chǎn)電菌降解有機(jī)物的電子也 由微生物傳遞到陽極表面，兩部分電子同時(shí)由陽極經(jīng)由導(dǎo)線傳遞到陰極，有毒的六價(jià)鉻在陰 極表面得到電子被迅速還原成低毒的三價(jià)鉻，達(dá)到去毒目的，閉路10min后，在開路10min 存儲(chǔ)電子，然后再閉路10min釋放電子處理含鉻廢水，如此循環(huán)操作。

　　另外，本發(fā)明在處理含鉻廢水的過程中，陽極上的產(chǎn)電菌降解有機(jī)物產(chǎn)生的電子由外電 路傳遞到陰極，在陰極表面還原六價(jià)鉻，不僅不需要外加電能而且同時(shí)產(chǎn)生了電能，這樣大 大降低了處理成本。

　　本發(fā)明利用電容性生物陽極MFC的間歇操作高效去除廢水中Cr(6+)比目前的利用普通 微生物燃料電池連續(xù)閉路操作處理廢水中Cr(6+)在同樣的處理時(shí)間下有更好的效果，原因 是因?yàn)殡娙菪陨�物陽極MFC閉路時(shí)傳遞給陽極再供給外電路和陰極的電子是由兩部分組成 的，一是開路時(shí)儲(chǔ)存在聚苯胺或二氧化錳等電容材料上的電子;二是閉路時(shí)產(chǎn)電菌降解有機(jī) 物的電子，這兩部分之和大大提高了電容性生物陽極微生物燃料電池閉路時(shí)輸出的電流，從 而提高了陰極室內(nèi)污染物的去除效果。而相對(duì)于連續(xù)閉路運(yùn)行的普通MFC來說，采用電容性 生物陽極MFC的間歇操作閉路時(shí)的輸出電流多了開路時(shí)儲(chǔ)存在聚苯胺或二氧化錳等電容材料 上的部分，因此其輸出電流遠(yuǎn)高于普通MFC的輸出電流，從而提高了陰極室污染物的去除效 果。另外，對(duì)于MFC系統(tǒng)的外接負(fù)載而言，采用電容性生物陽極MFC的間歇操作也比連續(xù)閉 路運(yùn)行的MFC系統(tǒng)可以在相同的時(shí)間內(nèi)提供給負(fù)載更多的電能，有利于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的運(yùn)行。用 本發(fā)明電容性生物陽極MFC的間歇操作處理起始濃度為10mg/L的六價(jià)鉻，一個(gè)循環(huán)，開路 10min充電、閉路10min放電同時(shí)處理10min含鉻廢水。本發(fā)明采用電容性生物陽極MFC的 間歇操作去除陰極室的污染物具有處理效果較好、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　本發(fā)明利用電容性生物陽極MFC的間歇操作處理含鉻廢水是對(duì)電化學(xué)水處理方法和連續(xù) 閉路操作微生物燃料電池處理廢水的一個(gè)創(chuàng)新，不需外加電能，可以在廢水處理的同時(shí)產(chǎn)生 電能，重要的是采用“開路-閉路-開路-閉路”間歇運(yùn)行的方式可以大大提高閉路時(shí)的輸出電 流，既可以給電路中的負(fù)載提供大的電流，又可以使陰極室的污染物得到快速去除，降低處 理成本和提高處理效果，具有環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三重效益。

　　本發(fā)明不僅可以處理廢水中的重金屬，還適用于水中其它具有氧化性質(zhì)的污染物去除(如 脫氮、脫氯、偶氮染料脫色、硝基苯轉(zhuǎn)化以及鈾轉(zhuǎn)化等)，可有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同 時(shí)獲得較好的廢水處理效果。

　　本發(fā)明中電池構(gòu)型采用雙室微生物燃料電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于組合、擴(kuò)大處理規(guī)模，易 于改變操作條件，有利于電池的最優(yōu)化。