专利名称：加速微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的方法
技术领域：
本发明涉及一种加速微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的方法，属于环境保护中污水处理技术领域。
背景技术：
铬及其化合物广泛应用于工业生产的各个领域，是冶金、印染、制药等行业必不可少的原料。含铬废水中的铬主要以Cr (III)和Cr (VI)的形式存在，其中Cr (VI)毒性很大，具有高毒性、腐蚀性和刺激性，长期摄入可能引起扁平上皮癌、腺癌等疾病，对环境及人体健康构成了潜在威胁。在国内外含铬废水处理技术领域中，微生物燃料电池(MFC)阴极 好氧处置技术具有处理效率较高、无二次污染、不需额外电能输入等优势。微生物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的产电装置，在连续曝空气的条件下，利用电池阴极生成的过氧化氢(H2O2)直接原位还原Cr (VI)。国内外学者开展了相关研究，ZhuXP { Electrochemistry cotmunicateons，2009，11 (2)}等提出在MFC阴极表面生产过氧化氢(H2O2),设想其在污水处理技术领域加以应用。Lei Fu { Journal of Chemical Technology & Biotechnology,2QIQ, 85 (5)}等以纯石墨棒为阴极电极材料，证实了 MFC阴极H2O2的产生。Drogui [Journal of AppliedElectrochemistry,2001, 31 (8)}采用二氧化钌(RuO2)涂层钛电极构成阳极电极体系,提高H2O2的生成速率。中国专利申请号为201210041468. 6、名称为“加速微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的方法”中，微生物燃料电池阴、阳电极均采用碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠(CF/PPy/ AQDS)电极，能提高微生物燃料电池阴极偶氮染料废水还原脱色的速率，但该方法应用于含铬废水处置时，与阴极H2O2生成速率不高，所以应用于含铬废水处置时的效果不佳，处置速率偏低。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术的不足，提供一种加速微生物燃料电池阴极含铬废水还原好氧处置的方法，阳极电极采用二氧化铱/ 二氧化钌(Ir02/Ru02)电极，阴极电极采用活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠(ACF/PPy/AQDS)电极，以空气中的氧气(O2)为阴极电子受体，增加阳极电子传递速率(即电子从微生物细胞内传递到燃料电池阳极的过程)和阴极过氧化氢(H2O2)的生成速率，提高微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的速率。本发明采用的技术方案是微生物燃料电池具有体积相等且之间用质子交换膜相隔开的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室顶部均连接一个电极插孔，阳极室中是在微生物作用下被氧化的底物，阴极室中是含铬废水，阴极室连接过滤增氧泵，先采用常规方法制成二氧化铱/ 二氧化钌电极和活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠电极；再将所述二氧化铱/二氧化钌电极通过电极插孔插入阳极室中作为二氧化铱/二氧化钌阳极，将所述活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠电极通过电极插孔插入阴极室中作为活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极，将活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极和二氧化铱/ 二氧化钌阳极接入外电路；最后启动过滤增氧泵连续曝气，启动微生物燃料电池待运行至输出电压达到稳定，阳极室中的底物氧化产生电子和质子，电子从微生物细胞传递至二氧化铱/ 二氧化钌阳极表面，再经外电路到达活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极；质子经质子交换膜扩散至阴极室，阴极室中的空气中的氧气以及所述电子、质子在活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极表面被催化发生还原半反应生成过氧化氢，过氧化氢再与铬发生氧化还原反应，使含铬废水被加速降解。本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是
I、本发明对含铬废水的处置速率较快。本发明采用电解技术制备二氧化铱/二氧化钌(Ir02/Ru02)阳极电极，采用电聚合-掺杂技术制备活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠(ACF/PPy/ AQDS)阴极电极，以增加阳极电子传递速率和阴极过氧化氢(H2O2)的生成速率，提高微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的速率，无二次污染。2、本发明不需要额外电能输入。MFC阳极室产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面经由外电路到达阴极电极，电子不断地产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。同时，阳极电极采用Ir02/Ru02电极、阴极电极采用ACF/PPy/AQDS电极提高微生物燃料电池产电性能。3、本发明阴极电子受体即空气中氧气(O2)廉价高效。如方程式(I)、(2)所示，氧气(O2)经还原半反应生成过氧化氢(H2O2),阴极室生成的H2O2将Cr (VI)还原为低毒性低污染的Cr (III),空气中的氧气廉价易获取。
图I是微生物燃料电池的结构示意 图2是四组由不同电极材料构成阴、阳电极所做微生物燃料电池阴极H2O2生成变化曲线 图3是四组由不同电极材料构成阴、阳电极所做微生物燃料电池的Cr (VI)残余浓度与初始浓度百分比变化曲线 图I中，I.电极插孔；2.硅胶垫圈和垫片；3.阳极室；4.阴极室；5. 二氧化铱/ 二氧化钌阳极；6.活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6-二磺酸钠阴极；7.质子交换膜；8.垫板；9.过
滤增氧泵。
具体实施方式
采用常规的电解池、气泵和直流稳压电源，将二氧化铱/ 二氧化钌(Ir02/Ru02)涂层和钛电极制成筛网状，制成二氧化铱/ 二氧化钌(Ir02/Ru02)电极。采用常规的三电极隔膜式H型电解槽，将活性碳毡作为工作电极，制成活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠(ACF/PPy/AQDS)电极。如图I所示的微生物燃料电池的结构，采用双池式结构，具有体积相等的阳极室3和阴极室4，阳极室3和阴极室4两者的体积相等，且两者之间用质子交换膜7相隔开，质子交换膜7的顶端和底端通过硅胶垫圈和垫片2密封，阳极室3和阴极室4底部固定连接一块垫板8，阳极室3中具有底物(如葡萄糖等)，底物在微生物作用下被氧化，阴极室4中是含铬废水。阳极室3和阴极室4的顶部均连接一个电极插孔I。将上述制得的二氧化铱/ 二氧化钌电极作为二氧化铱/ 二氧化钌阳极5，将二氧化铱/二氧化钌阳极5通过阳极室3顶部的电极插孔I插入阳极室3中。将上述制得的活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠电极作为活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6，将活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠阴极6通过阴极室4顶部的电极插孔I插入阴极室4中。阴极室4还连接5W的过滤增氧泵9，过滤增氧泵9对阴极室4连续曝气充氧。将活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6和二氧化铱/ 二氧化钌阳极5接入外电路。启动过滤增氧泵9连续曝气，启动微生物燃料电池待运行至输出电压达到稳定，阳极室3中是在微生物作用下被氧化的底物，底物氧化产生电子、质子，其中产生的电子从微生物细胞传递至二氧化铱/ 二氧化钌阳极5表面，再经外电路到达阴极室4中的活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6，产生的质子从阳极室3经过质子交换膜7扩散至阴极室4，阴极室4中，以空气中的氧气(O2)为阴极电子受体，这样，空气中的氧气、二氧化铱/ 二氧化钌阳极5传递来的质子和经外电路到达活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6的电子在活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6表面被催化发生还原半反应生成过氧化氢。如方程式(I)所示的是空气中的氧气(02)、阴极室4中的质子和经外电路到达活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极6的电子在活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠阴极6电极表面发生还原半反应生成过氧化氢(H2O2)15如方程式(2)所示是阴极室4中生成的H2O2再与铬Cr发生氧化还原反应，铬被还原为低毒性低污染的Cr。
权利要求
1. 一种加速微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的方法，微生物燃料电池具有体积相等且之间用质子交换膜相隔开的阳极室和阴极室，阳极室和阴极室顶部均连接一个电极插孔，阳极室中是在微生物作用下被氧化的底物，阴极室中是含铬废水，阴极室连接过滤增氧泵，其特征是具有如下步骤 (1)采用常规方法制成二氧化铱/二氧化钌电极和活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠电极； (2)将所述二氧化铱/二氧化钌电极通过电极插孔插入阳极室中作为二氧化铱/ 二氧化钌阳极，将所述活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠电极通过电极插孔插入阴极室中作为活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极，将活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极和二氧化铱/二氧化钌阳极接入外电路； (3)启动过滤增氧泵连续曝气，启动微生物燃料电池待运行至输出电压达到稳定，阳极室中的底物氧化产生电子和质子，电子从微生物细胞传递至二氧化铱/ 二氧化钌阳极表面，再经外电路到达活性碳毡/聚吡咯/蒽醌_2，6- 二磺酸钠阴极；质子经质子交换膜扩散至阴极室，阴极室中的空气中的氧气以及所述电子、质子在活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2，6- 二磺酸钠阴极表面被催化发生还原半反应生成过氧化氢，过氧化氢再与铬发生氧化还原反应，使含铬废水被加速降解。
全文摘要
本发明公开一种加速微生物燃料电池阴极含铬废水好氧处置的方法，将二氧化铱/二氧化钌电极插入阳极室中作为阳极，将活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠电极插入阴极室中作为阴极，将阳极和阴极接入外电路；阳极室中的底物氧化产生电子和质子，电子传递至阳极表面再经外电路到达阴极；质子经质子交换膜扩散至阴极室，阴极室中的空气中的氧气以及所述电子、质子在阴极表面被催化发生还原半反应生成过氧化氢，过氧化氢再与铬发生氧化还原反应，使含铬废水被加速降解，不需要额外电能输入，对含铬废水的处置速率较快，无二次污染。
文档编号C02F101/22GK102616925SQ201210100768
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者刘亮, 孙宏伟, 李定龙, 杨彦 申请人:常州水木环保科技有限公司