CN110273310A - 一种利用mfc处理办公室废纸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用MFC处理办公室废纸的方法，包括以下步骤：步骤S1：至少构造一组MFC装置；步骤S2：在MFC的阳极室加入MFC阳极液体，制备工艺如下：a1、破碎：用剪刀将整块办公室废纸剪成小块；a2、浸泡：将破碎后的办公室废纸放置在去离子水中浸泡一天以上；a3、制浆：将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆；a4、水解：向纸浆中加入纤维素酶，使用磁力搅拌器将纸浆加热搅拌，温度控制在35℃水解90min后冷却至室温；a5、纸浆在8000r/min下离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离；a6、用真空抽滤机将水解液进一步抽滤；a7、向阳极室内加入厌氧污泥，之后将抽滤后的水解液加入阳极室得到阳极液体；步骤S3：阳极液体被产电微生物氧化产生了电子通过外回路产生电流。

Description

一种利用MFC处理办公室废纸的方法
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种利用微生物燃料电池处理办公室废纸水解液产生电能的方法。
背景技术
废纸作为一种重要的再生资源，其回收利用具有良好的经济及社会效益，对环境保护和资源利用都具有十分重要的意义，是解决我国森林资源匮乏、造纸原料短缺的有效途径之一。废纸中的主要可利用成分-纤维素可以被纤维素酶水解产生还原糖。近年来随着酶工程的快速发展，纤维素酶已经能够工业化大量生产，这为办公室废纸的深层次开发提供了一种重要工具。纤维素酶作为一种复合酶，能够将办公室废纸中的主要分纤维素水解为还原糖。糖作为一种基础生物化工原料，广泛应用于发酵、有机合成、食品添加、饲料添加等行业，是一种高附加值的原料。通过纤维素酶催化水解办公室废纸，具有条件温和、反应高效、产物价值高等特点，证明该生物转化方法是一种环保经济的处理方法，具有广阔的应用前景。
微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是一种新兴的能源技术，利用细菌通过生物质产生电能，可以将微生物代谢活动中储存的有机物转化为电能的生物反应装置。MFC通常用来处理有机废水，具有发电效率高、环境污染少的特点。
近年来，如何将办公室废纸等废弃物合理处理，使之变废为宝已经成为了一个热点，引起了各国的密切关注。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种既清洁又环保的利用MFC处理办公室废纸的方法，结合了办公室废纸处理和电化学***的特点，既处理了废弃物，又产生了电能，且产生的纸浆残渣仍然可以用于二次造纸。节约成本，保护环境，具有良好的经济和环境效益。为办公室废纸的处理提供一种新思路。
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的技术方案如下：
一种利用MFC处理办公室废纸的方法，包括以下步骤：
步骤S1：至少构造一组MFC装置，其至少包括阳极室和阴极室并形成外回路；
步骤S2：在MFC的阳极室加入MFC阳极液体，以及在阴极室加入硫酸铜溶液；其中，阳极体液由办公室废纸水解液和厌氧污泥混合制备而成，其制备工艺如下：
a1、破碎：用剪刀将整块办公室废纸剪成小块；
a2、浸泡：将破碎后的办公室废纸放置在去离子水中浸泡一天以上；
a3、制浆：将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆；
a4、水解：向纸浆中加入纤维素酶，使用磁力搅拌器将纸浆加热搅拌，温度控制在35℃水解90min后冷却至室温；
a5、纸浆在8000r/min下离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离；
a6、用真空抽滤机将水解液进一步抽滤，得到阳极液体；
a7、向阳极室内加入厌氧污泥，之后将抽滤后的水解液加入阳极室；
步骤S3：阳极液体被产电微生物氧化产生了电子和质子并通过外回路产生电流。
在上述技术方案中，阳极的有机物会被产电微生物氧化，这个过程中产生了电子和质子，其中电子通过外电路、质子通过质子交换膜分别达到阴极室，并与电子受体反应，电子在外电路中传递从而产生电流。
作为进一步的改进方案，MFC装置采用双室MFC，阳极室和阴极室之间采用质子膜分隔，其中，阳极与阴极均为碳布。
作为进一步的改进方案，在两极间接入1000Ω的外电阻，同时在电阻两端接入无纸记录仪以观察电压的变化。
作为进一步的改进方案，在所述步骤S2中，办公室废纸水解液和厌氧污泥的配比为5∶3(体积比)。
作为进一步的改进方案，在所述步骤S2中，在办公室废纸水解加入阳极室之后，加入了适量的微量元素，其组成为：3.13g/L NaHCO3、0.13g/L KCl、6.338g/L Na2HPO4、0.015g/L CaCl2、0.200g/L MgSO4·7H2O、6.8556g/L Na2PO4、0.020g/L MnSO4以及7H2O，0.31g/L NH4Cl。
作为进一步的改进方案，步骤S2中，厌氧污泥经过驯化，然后将其过滤、沉淀、淘洗后在厌氧条件下保存备用。
作为进一步的改进方案，步骤S2中，硫酸铜溶液的配制为0.4g硫酸铜溶解在800mL水中。
作为进一步的改进方案，碳布先用去离子水洗净，放入烘箱120℃，2h烘干，再用甲醇浸泡一段时间，去离子水清洗若干遍，最后放入500℃马弗炉灼烧30min，取出后冷却。
在本发明的一种优选实施方式中，包括如下步骤：
(1)将9g复印废纸在105℃的烘箱中烘干后,用剪刀剪碎。
(2)将剪碎后的废纸用500mL水浸泡，使纤维素充分吸水膨胀，便于进一步的破碎。
(3)将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆。
(4)向纸浆中加入纤维素酶，加热搅拌，温度控制在35℃。水解90min后冷却至室温，混合物8000r/min离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离，再用真空抽滤机将水解液进一步抽滤。
(5)将步骤(4)得到的水解液取500mL和300mL的厌氧活性污泥加入MFC的阳极中。
(6)在MFC的阴极加入硫酸铜溶液。
(7)阴极与阳极材料均为碳布，将碳布与导线粘在一起。在阴极与阳极之间接入电阻箱，将电阻箱数值调节到1000Ω。
(8)在产电性能稳定后，改变外电阻的值，作出极化曲线与功率密度曲线的图像，观察MFC产电性能。
作为进一步改进方案，所述步骤(2)在浸泡时，浸泡时间足够长，大于一天。
作为进一步改进方案，所述步骤(4)在水解时，温度为35℃条件下水解90分钟。
作为进一步改进方案，所述的MFC中阳极与阴极电极材料均为碳布，阴极室与阳极室之间用质子膜隔离。
与现有技术相比较，本发明结合了办公室废纸处理效率低和电化学***的特点，既处理了废弃物，又产生了电能，在办公室废纸水解之后，剩余的残渣仍然可以用于纸张的二次制造，从而提高了能量的利用率。节约成本，保护环境，具有良好的经济和环境效益。同时很好的处理了办公室废纸难处理的问题，节约资源，保护环境。具体包括以下：
(1)本发明操作简单，废弃生物质来源稳定，避免了直接处理造成的能量浪费，实现了能量的高效率利用。
(2)以办公室废纸为原料制成MFC，能有效利用废弃物中的有机物，处理后的水解液中COD的含量大幅度下降，实现了废弃物的循环利用，清洁环保，节约成本，高效经济。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是废纸水解过程中0.5g酶量水解废纸产生还原糖的变化图像；
图3是废纸水解过程中1g酶量水解废纸产生还原糖的变化图像；
图4是废纸水解过程中2g酶量水解废纸产生还原糖的变化图像；
图5是废纸水解过程中3g酶量水解废纸产生还原糖的变化图像；
图6是废纸水解过程中0.5酶量水解废纸产生COD的变化图像；
图7是废纸水解过程中1g酶量水解废纸产生COD的变化图像；
图8是废纸水解过程中2g酶量水解废纸产生COD的变化图像；
图9是废纸水解过程中3g酶量水解废纸产生COD的变化图像；
图10是产电过程中还原糖变化的图像；
图11是产电过程中COD变化图像；
图12是产电过程中Cu2+变化图像；
图13是当外电阻1000Ω时，电压随时间变化的图像；
图14是当产电性能稳定时，通过改变外电阻的阻值绘制的极化曲线与功率密度曲线。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图1，所示为本发明提供一种利用MFC处理办公室废纸的方法的流程框图，包括以下步骤：
步骤S1：至少构造一组MFC装置，其至少包括阳极室和阴极室并形成外回路；
步骤S2：在MFC的阳极室加入MFC阳极液体，以及在阴极室加入硫酸铜溶液；其中，阳极体液由办公室废纸水解液和厌氧污泥混合制备而成，其制备工艺如下：
a1、破碎：用剪刀将整块办公室废纸剪成小块；
a2、浸泡：将破碎后的办公室废纸放置在去离子水中浸泡一天以上；
a3、制浆：将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆；
a4、水解：向纸浆中加入纤维素酶，使用磁力搅拌器将纸浆加热搅拌，温度控制在35℃水解90min后冷却至室温；
a5、纸浆在8000r/min下离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离；
a6、用真空抽滤机将水解液进一步抽滤，得到阳极液体；
a7、向阳极室内加入厌氧污泥，之后将抽滤后的水解液加入阳极室；
步骤S3：阳极液体被产电微生物氧化产生了电子和质子并通过外回路产生电流。
在上述技术方案中，阳极的有机物会被产电微生物氧化，这个过程中产生了电子和质子，其中电子通过外电路、质子通过质子交换膜分别达到阴极室，并与电子受体反应，电子在外电路中传递从而产生电流。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的解释和说明：
1、在水解过程采用不同浓度的纤维素酶，测量水解过程中葡萄糖和COD含量。
实施例1
将9g复印废纸在105℃的烘箱中烘干后，用剪刀剪碎。将剪碎后的废纸用500mL水浸泡，使纤维素充分吸水膨胀，便于进一步的破碎。将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆。向纸浆中加入0.5g纤维素酶，加热搅拌，温度控制在35℃。水解90min后冷却至室温，混合物8000r/min离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离，再用真空抽滤机将水解液进一步抽滤。在此过程中，每隔一段时间对水解液取样。测得水解液的葡萄糖含量如图2所示，测得COD含量如图6所示。
实施例2
将9g复印废纸在105℃的烘箱中烘干后，用剪刀剪碎。将剪碎后的废纸用500mL水浸泡，使纤维素充分吸水膨胀，便于进一步的破碎。将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆。向纸浆中加入1g纤维素酶，加热搅拌，温度控制在35℃。水解90min后冷却至室温，混合物8000r/min离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离，再用真空抽滤机将水解液进一步抽滤。在此过程中，每隔一段时间对水解液取样。测得水解液的葡萄糖含量如图3所示，测得COD含量如图7所示。
实施例3
将9g复印废纸在105℃的烘箱中烘干后，用剪刀剪碎。将剪碎后的废纸用500mL水浸泡，使纤维素充分吸水膨胀，便于进一步的破碎。将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆。向纸浆中加入2g纤维素酶，加热搅拌，温度控制在35℃。水解90min后冷却至室温，混合物8000r/min离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离，再用真空抽滤机将水解液进一步抽滤。在此过程中，每隔一段时间对水解液取样。测得水解液的葡萄糖含量如图4所示，测得COD含量如图8所示。
实施例4
将9g复印废纸在105℃的烘箱中烘干后，用剪刀剪碎。将剪碎后的废纸用500mL水浸泡，使纤维素充分吸水膨胀，便于进一步的破碎。将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆。向纸浆中加入3g纤维素酶，加热搅拌，温度控制在35℃。水解90min后冷却至室温，混合物8000r/min离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离，再用真空抽滤机将水解液进一步抽滤。在此过程中，每隔一段时间对水解液取样。测得水解液的葡萄糖含量如图5所示，测得COD含量如图9所示。
本发明通过四个实例改变在原材料和外界环境不变的情况下，通过改变酶的含量，测得水解后的还原糖含量和COD含量，发现酶的含量越多，水解产生的可以被MFC利用的物质也就越多。利用酶来水解的方法简便且反应条件温和，相比较于其他水解方法，利用酶水解比较廉价且更容易，水解效果也更好。在反应初期，还原糖与COD浓度上升迅速，随后趋于平稳，反应结束。
2、MFC材料的处理
裁剪7*7cm的碳布两块，用去离子水洗净，放入烘箱，使温度保持在120℃，2h烘干。用甲醇浸泡一段时间，去离子水清洗若干遍。放入500度马弗炉灼烧30min，取出后冷却。将环氧树脂胶A+B型1比1的量混合均匀，用环氧树脂胶将导线与碳布粘合，风干固定好的碳布。
质子膜处理时根据中间玻璃管的面积，剪成对应的圆形。在80℃的3％过氧化氢中质子膜浸泡1小时。再放入80℃的去离子水中冲洗1小时。放入80℃的硫酸溶液(1mol/L)中膜浸泡1小时。再用80℃去离子水冲洗膜1小时。为了不受任何污染，处理完成的质子膜存放在去离子水中密封保存。在使用质子膜前，在空气中风干。
3、阳极液和阴极液的配制
阳极：取上述水解液500mL，同时加入适量的微量元素，(质量浓度及组分分别为3.13g/L NaHCO3，0.13g/L KCl，6.338g/L Na2HPO4，0.015g/L CaCl2，0.200g/L MgSO4·7H2O，6.8556g/L Na2PO4，0.020g/L MnSO4·7H2O，0.31g/L NH4Cl)
阴极：取0.4g硫酸铜溶解在800mL水中，将硫酸铜溶液加入到阴极室，其中硫酸铜溶解时放入超声波清洗机中30分钟，并用玻璃棒进行搅拌，直至硫酸铜完全溶解为止。
4、污泥的处理
阳极区的活性污泥取回后将其过滤、沉淀、淘洗后在厌氧条件下保存备用，将污泥驯化一段时间，将好氧污泥转化成厌氧污泥。
5、MFC的组装
将预处理过的质子膜放在罐体中间连接处，将两个罐体相连接。将水解液加入阳极，硫酸铜溶液加入到阴极室。将碳布浸入两极的液面以下中，碳布与导线连接，外接电阻和无纸记录仪。
6、MFC的产电过程
MFC开始产电时，每隔一段时间取阳极液，测得阳极液中葡萄糖变化图像如图10所示，测得阳极液中COD变化图像如图11所示。阳极还原糖与COD浓度随时间的增加，均有不同程度的减少，MFC对于废纸水解液中的还原糖等物质有一定的降解能力。每隔一段时间取阴极液，测得阴极液中Cu2+变化图像如图12所示。MFC对于废水中的Cu2+也有很强的降解能力，可以考虑将MFC运用在含铜废水处理上。在MFC产电过程中，无纸记录仪每隔10min自动记录电压值，周期结束后，整理数据，绘制电压随时间变化的图像如图13所示。利用废纸水解后加入MFC中产电效果良好，可以加以利用。在电压达到周期内较高值时，改变外电阻，绘制极化曲线与功率密度曲线如图14所示。曲线趋势与其它阳极底物的MFC趋势基本相同，MFC性能良好。
本发明解决了办公室废纸的处理问题，提高了能量的利用效率。且产生的电能并不落后与其它底物的MFC，具有一定程度上的可行性。
与传统的办公室废纸处理方法相比，该方法利用酶水解废纸产生的还原糖，加入MFC中产生清洁能源-电能，整个过程对环境无污染，且产生的纸浆残渣仍然可以用于二次造纸。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：至少构造一组MFC装置，其至少包括阳极室和阴极室并形成外回路；
步骤S2：在MFC的阳极室加入MFC阳极液体，以及在阴极室加入硫酸铜溶液；其中，阳极体液由办公室废纸水解液和厌氧污泥混合制备而成，其制备工艺如下：
a1、破碎：用剪刀将整块办公室废纸剪成小块；
a2、浸泡：将破碎后的办公室废纸放置在去离子水中浸泡一天以上；
a3、制浆：将浸泡过的碎纸屑与水加入破碎机中，破碎成纸浆；
a4、水解：向纸浆中加入纤维素酶，使用磁力搅拌器将纸浆加热搅拌，温度控制在35℃水解90min后冷却至室温；
a5、在8000r/min下离心10分钟，使得残渣与水解液固液分离；
a6、用真空抽滤机将水解液进一步抽滤，得到阳极液体；
a7、向阳极室内加入厌氧污泥，之后将抽滤后的水解液加入阳极室；
步骤S3：阳极液体被产电微生物氧化产生了电子和质子并通过外回路产生电流。
2.根据权利要求1所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，MFC装置采用双室MFC，阳极室和阴极室之间采用质子膜分隔，其中，阳极与阴极均为碳布。
3.根据权利要求1或2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，在两极间接入1000Ω的外电阻，同时在电阻两端接入无纸记录仪以观察电压的变化。
4.根据权利要求1或2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，办公室废纸水解液和厌氧污泥的配比为5∶3(体积比)。
5.根据权利要求1或2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在办公室废纸水解加入阳极室之后，加入了适量的微量元素，其组成为：3.13g/LNaHCO3、0.13g/L KCl、6.338g/L Na2HPO4、0.015g/L CaCl2、0.200g/L MgSO4·7H2O、6.8556g/L Na2PO4、0.020g/L MnSO4以及7H2O，0.31g/L NH4Cl。
6.根据权利要求1或2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，步骤S2中，厌氧污泥经过驯化，然后将其过滤、沉淀、淘洗后在厌氧条件下保存备用。
7.根据权利要求1或2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，步骤S2中，硫酸铜溶液的配制为0.4g硫酸铜溶解在800mL水中。
8.根据权利要求2所述利用MFC处理办公室废纸的方法，其特征在于，碳布先用去离子水洗净，放入烘箱120℃，2h烘干，再用甲醇浸泡一段时间，去离子水清洗若干遍，最后放入500℃马弗炉灼烧30min，取出后冷却。
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