CN103482728A

CN103482728A - 一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术

Info

Publication number: CN103482728A
Application number: CN201310467063.3A
Authority: CN
Inventors: 冯翠杰; 于昌平; 侯嘉洪
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明公开了一种集废水处理、微生物发电、能源回收以及处理含离子水溶液的新型脱盐方法，属于环境保护技术领域的一种。本发明涉及的脱盐方法主要是使用以连续流模式运行的微生物燃料电池提供持续稳定的电压，并将电源施压于电容去离子装置，达到有效去除废水中盐离子的方法。本发明的目的在于提供一种低能耗、能持续去离子的方法，进一步提升微生物燃料电池从废水中回收能源的再利用性，降低能耗。

Description

一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术

技术领域

本发明属于环境保护技术领域的一种集废水处理、微生物发电、能源回收以及处理低离子浓度水溶液的新兴方法。具体结合微生物燃料电池和电容去离子技术各自的优点，达到有效去除废水中有机碳、产电、低能耗去除低浓度离子的方法。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）作为一种新的废水处理技术是利用微生物作为催化剂，转化废水中的有机质产生电能并同时达到去除污染物的目的。目前MFC的开路电压大约0.8V （Clauwaert et al., 2008; Logan, 2009; Logan and Rabaey 2012）。若利用MFCs处理废水，不仅能降解有机污染物还能回收能源，这无疑是对现有污水处理理念的创新，且具有不可估量的发展潜力。在过去的几年中，为提升MFCs的产能效率科研工作者采取了很多措施，MFCs功率密度已从最初的11 W m^-3增加到4000 W m^-3（Logan, 2008; Biffinger et al., 2009）。但因其输出功率较低，不仅降低了其从废水中回收能源的效率限制了其在实际中应用的可能。事实上，目前只有一种MFC（作为供电电源驱动海底装置在线监环境参数）能利用沉积物产生电能，并将所产生的电能应用于实际(Tender et al., 2008)。因此，如何利用较低的能源成为一个亟待解决的难题。

电容去离子（Capacitive deionization，CDI）是一种利用电吸附过程去除水中离子的电化学水处理技术，其基本原理是通过施加静电场（电压通常低于1.2 V）强制使离子向带有相反电荷的电极移动，从而得到去除。使用比表面积大、导电性能佳的碳材料，如碳气凝胶（比表面积400~1100 m²·g^–1 BET；电阻率 < 40 mΩ·cm）等制成电极置于静电场时，电极与电解质溶液界面处会形成双电层（厚度只有1~10 nm），能吸引大量电解质离子，并储存一定的能量。CDI技术具有操作维护简便、无二次污染、成本低、效率高、能耗低及具可逆性等优势（Famer et al., 1996; Anderson et al., 2010）。其应用范围广泛，包括家庭和工业用水软化、废水净化、海水脱盐、水溶性放射性废物处理、核电电厂废水处理、半导体加工中高纯水制备和农业灌溉用水去离子等（尹广军等，2003）。Welgemoed and Schutte等（2005）的研究表明，在处理1.0~0.01 g·L^–1的盐水实验中，CDI的能耗只有0.13~0.59 kWh·m^–3。这与常规去离子技术电解析（2.03 kWh·m^–3）和反渗透（2.25 kWh·m^–3）相比，具有明显优势。

基于MFC可处理废水并提供电能，同时CDI只需不到1.2 V的电压就能去除或降低溶液离子浓度的特点，最近研究者们提出了MFC耦合CDI去离子的想法（Forrestal et al., 2012; Yuan et al., 2012）。Yuan等（2012）利用批次流H型MFC作为外部电源驱动CDI去除水溶液离子（NaCl浓度为60 mg L^–1），研究了该***的脱盐效果以及脱吸附性能。

本发明旨在发明一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术（简称MFC-CDI），该技术是一种无需外加电能就可稳定脱盐、除污，简单且易操作的新型水处理技术。特别之处在于采用连续流的运行模式，因此可为CDI提供较为稳定的电压，达到稳定脱盐的效果，无脱附现象。

发明内容

MFC-CDI***去离子方法

本发明的所涉及的耦合去离子***包括微生物燃料电池（电源提供单元）和电容去离子（电吸附单元），其原理为：MFC中阳极室中电极附着的产电微生物利用废水中有机物产生电能，通过外电路将阳极和阴极两个电极连接至CDI装置的活性炭电极（如附图1所示）。

电源提供单元：微生物燃料电池装置

电源提供单元为无膜MFC，该装置利用挡板从左右将反应槽分成三个反应室：一个进水厌氧区（阳极）、一个好氧区（阴极）和一个内部澄清区域。三部分由挡板隔开，两个垂直孔开在阴极和阳极的挡板上可以让污水流经***。

电吸附单元：电容去离子装置

CDI装置由一对活性炭电极组成。电容去离子装置是由一对活性炭电极组成，两电极间保持一定距离，以便溶液顺利通过。

附图说明

附图是本发明的一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术基本设计图。

具体实施方式

实施例1：人工废水主要含有化学需氧量（COD）浓度为550 mg/L, 氨氮30 mg/L，总磷量6 mg/L及微量元素。微生物燃料电池废水处理***在水利停留时间为3.0天，和长污泥停留时间（污泥未废弃）下运行的。CDI装置所需电压由MFC提供。在每批次实验中，电解液的总体积为50 mL，经由蠕动泵以0.84 mL·min^–1的流速不断循环泵入CDI装置中。以两个MFCs（分别记作MFC1和MFC2）平行运行为CDI提供电源。MFC1和MFC2的OCP分别为0.90 ± 0.01 V和0.85 ± 0.05 V，输出电压分别为0.37 ± 0.10 V和0.36 ± 0.15 V。对比三种不同MFCs连接方式（单个MFC、两个MFCs串联、并联）发现，并联连接时输出电压最高（0.63 V），NaCl去除率超过60%。当电解液浓度依次为50 mg·L^–1、100 mg·L^–1和150 mg·L^–1时，电吸附容量分别为150 μg·g^–1、346 μg·g^–1和295 μg·g^–1。研究结果表明MFC-CDI技术，能从废水中回收能源，并可实现去离子，是一项很有潜力的节能技术。

Claims

1.一种利用微生物燃料电池驱动电容去离子的脱盐技术，实现污染控制、回收能源并可将能源再利用的新兴污水处理***；本发明反应装置由微生物燃料电池***和电容去离子***构成，通过外电路将两者连接；其中微生物燃料电池***采用连续流运行模式，具备同时处理污水且能产生稳定电压的特点，可持续为电容去离子装置提供脱盐的所需电压。

2.根据权利1要求所述的电源提供装置，其特征在于微生物燃料电池利用挡板将反应槽依次分为三个反应室：厌氧区（阳极室）、好氧区（阴极室）和澄清室，其材质为有机玻璃；该装置与传统的微生物燃料电池构型不同，用带有小孔的挡板代替了价格昂贵且易出现膜污染问题的传统质子交换膜，因此可实现连续流运行模式，能产生稳定的电压；该***的构型和A/O工艺接近，可在实际中投入使用。

3.根据权利1要求所述的去离子装置，其特征在于电容去离子装置是由一对活性炭电极组成；电吸附单元包括：树脂玻璃盖，钛板，活性炭电极、橡胶垫片（带有小孔）、中空树脂玻璃；活性炭电极的材料可为：碳气溶胶、碳布、活性炭等具有吸附能力且可导电的活性炭材料；而粉末活性炭的来源较为丰富，包括碳纳米管、椰壳、煤、木材等。

4.一种创新耦合脱盐技术，根据权利1所述的方法，其特征在于利用微生物燃料电池处理废水，并利用微生物作为催化剂将废水中的化学能转为电能，然后将所产电压施加于电容去离子装置以处理含离子溶液，达到深度处理废水的目的；这样的设计在一定程度上解决了微生物燃料电池输出功率低、回收电能难以再利用的问题。