一種用于處理生活污水的微生物燃料電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電池，特別是一種用于處理生活污水的微生物燃料電池。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口數的持續增加，人類日益受到能源資源不足以及環境惡化的影響，因此開發新能源得到廣泛的重視，而利用可再生的生物質能發電是一種有效的手段。微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFC)作為一種利用微生物代謝產生電能的新方法，近年來受到更多人們的關注。它是一種利用微生物作為催化劑將化學能轉變為電能的裝置，微生物可以代謝有機物質，同時產生電能，在處理污水方面得到廣泛的關注。但是，現有的微生物燃料電池普遍具有產電量低的缺點；同時現有技術中的陽極表面積一般較小，不利于微生物的大量附著，且催化效能適用面窄;現有技術中多采用鉑作為陰極催化劑，雖然催化效果好，但是過于昂貴。
【發明內容】
[0003]本發明的發明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，從而提高電量產量和污水處理效率，并降低生產成本的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池。
[0004]本發明采用的技術方案如下:
一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，包括設置在外殼內的反應器和設置在外殼外的電池正極和電池負極，所述電池正極的底部連接于反應器的一端;所述電池負極的底部連接于反應器的另一端;所述反應器包括密封殼和設置在密封殼內的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負極相連，所述密封殼內充滿介質;所述介質為生活污水;所述外殼的底部設有介質交換器，所述介質交換器通過通道與密封殼內部相連通。
[0005]由于采用了上述技術方案，離子交換膜將反應器分隔成為陽極室和陰極室，在陽極室厭氧環境下，生活污水中的有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑在陰極得到電子被還原與質子結合成水，通過介質交換器能夠將處理過后的到的水從反應器交換出來，將新的生活污水補充進反應器中，從而不斷完成對生活污水的處理。
[0006]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述微生物包括26%葡萄球菌，17%大腸桿菌，23%腐敗希瓦氏菌和34%硫還原地桿菌。
[0007]由于采用了上述技術方案，采用混合菌種來進行污水處理些效果遠遠大于單一菌種的處理效果，能夠處理污水中的有機物類型遠多于單一菌種的處理類型。
[0008]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極。
[0009]由于采用了上述技術方案，本發明的陽極電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好;本發明的陰極催化性能好，且釩的價格低于鉑，降低了生產成本。
[0010]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述離子膜交換膜包括全氟磺酸質子膜一，所述全氟磺酸質子膜一的下層覆蓋有二氧化硅層，所述二氧化硅的下層覆蓋有全氟磺酸質子膜二;所述二氧化娃層的厚度為450nm，所述全氟磺酸質子膜一表面覆有鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層，所述全氟磺酸質子膜二表面覆有藻酸雙酯鈉層。
[0011 ]由于采用了上述技術方案，Si02表面羥基與全氟磺酸質子膜表面的磺酸根相互作用起到了物理交聯聚合物效果，鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層和藻酸雙酯鈉層能夠實現對全氟磺酸質子膜上磺酸基團的交聯，提高了膜的含水量，使得質子更容易自由通過，提高了離子膜的質子傳導率和能量效率，同時避免微生物代謝產物對離子膜的污染，保證了離子膜的質子傳導率，提高了電池的能量效率及污水處理效率。
[0012]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有三維網狀多孔結構，孔徑大小為9μπι。
[0013]由于采用了上述技術方案，三維石墨烯導電性好，生物相容性高，容易形成三維多孔的氣凝膠結構，鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有親水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏水性，電解液更容易浸潤，導電性較好，提高了其在陽極電解液中的反應活性面積。
[0014]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述V02/S_AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，所述V02/S-AC層的厚度為300nm，所述V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的聚二甲基娃氧燒與炭黑的負載量為6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
[0015]由于采用了上述技術方案，V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極，V02具有較高的氧化還原催化活性，將V02與S-AC混合作為催化層，利用化學反應將碳導電材料與催化劑構成復合材料，增加了電化學活性電位及表面積，能夠使微生物燃料電池獲得較好的產電性能，為了進一步降低微生物燃料電池陰極的生產成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應用，選用價格相對便宜，電導率更高的泡沫鎳作為集電體材料，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產電效率和污水處理效率。
[0016]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述陽極通過以下步驟制備而成:
步驟一:按濃硫酸:石墨粉:硝酸鈉質量比65:1:0.6在冰浴的條件下向濃硫酸中加入石墨粉和硝酸鈉，攪拌溶解30min后，按照石墨粉:高錳酸鉀質量比1:5，向混合溶液中加入高錳酸鉀，攪拌10h后，按照濃硫酸:去離子水體積比1:1向混合溶液中加入去離子水，將混合物置于真空度為0.93的條件下，按照1.2°C/h的速率緩慢升溫至52°C，保持52°C恒溫繼續攪拌22h后，按照濃硫酸比雙氧水體積比1:0.1向混合溶液中加入雙氧水，在52°C溫度下攪拌
2.5h后離心，將固液分離取固體，固體分別用5%的稀鹽酸和去離子水沖洗，干燥后得到氧化石墨稀；
步驟二:用去離子水將氧化石墨烯配置成濃度為1.3mg/mL的溶液，按照質量比8:1向溶液中加入四氮化三鈦，在室溫超聲2h后，微波反應100W的條件下反應lOmin后，將混合溶液置于聚四氟乙烯內襯的熱反應釜中，充入氬氣作為保護氣后密封，抽真空達到真空度0.8，升溫至180°C反應36h，在氬氣保護氣存在下冷卻至常溫，制得表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠。
[0017]由于采用了上述技術方案，制得的陽極一一表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有三維網狀多孔結構，且三維網狀結構不會出現崩解現象;孔徑大小為9μπι，適合細菌進入。
[0018]本發明的一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，所述陰極通過以下步驟制成:
步驟一:按照質量比1:1將聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均勻后配制成濃度為10%的催化乳濁液，將VOAS-AC按照質量比2:1混合均勻，按照質量比1: 3稱取V02/S-AC混合物和催化乳濁液，將V02/S-AC混合物和催化乳濁液經過超聲波混合40min，將混合溶液加熱至65°C，持續攪拌2h破乳，得到催化層原料；
步驟二:通過壓片機將泡沫鎳壓制成0.6mm的薄片，將催化層原料均勻地刮涂于泡沫鎳上表面，隨后在壓力為70kPa，功率為100W的條件下微波反應5min，將薄片表面多余的粉末輕輕掃掉，得到覆有催化層的泡沫鎳；
步驟三:用DMF將聚二甲基硅氧烷配置成濃度為10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷:炭黑質量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均勻后，得到擴散層原料，將擴散層原料均勻涂抹在覆有催化層的泡沫鎳下表面，涂抹厚度為0.1mm，隨后放入干燥箱中在80°C的條件下烘干，得到V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極。
[0019]由于采用了上述技術方案，制備出的陰極一一V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，兩種催化劑復合后的外比表面積顯著提高，活性位增加，V02在活性炭表面的形成微孔結構，大幅度增加了孔隙率，加快了物質傳遞。
[0020]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
1、電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，電能產率高，污水處理效率高。
[0021]2、降低微生物燃料電池陰極的生產成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應用，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產電效率及污水處理率。
[0022]3、提高了離子膜的質子傳導率和能量效率，同時避免微生物代謝產物對離子膜的污染，保證了離子膜的質子傳導率，提高了電池的能量效率。
【附圖說明】
[0023]圖1是一種用于處理生活污水的微生物燃料電池的結構示意圖；
圖2是一種用于處理生活污水的微生物燃料電池的工作原理示意圖；
圖3是表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠的三維網狀多孔結構的SEM圖；
圖4是V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層的SEM圖。
[0024]圖中標記:1為反應器，2為陽極，3為陰極，4為微生物，5為介質，6為密封殼，7為離子交換膜，8為電池正極，9為電池負極，10為絕緣阻燃層，11為外殼，12為填充介質，13為介質交換器，14為通道。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。
[0026]為了使發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0027]實施例1
如圖1至圖4所示，一種用于處理生活污水的微生物燃料電池，包括設置在外殼11內的反應器I和設置在外殼11外的電池正極8和電池負極9，電池正極8的底部連接于反應器I的一端；電池負極9的底部連接于反應器I的另一端;反應器I包括密封殼6和設置在密封殼6內的陽極2和陰極3，陽極2和陰極3表面附著有微生物4，陽極2與陰極3之間