[發明專利]微生物燃料電池自驅動微生物電解池制氫儲氫方法

有效

• 申請號: 201410375715.5
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104141147A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 梁鎮海;代紅艷;趙煜;楊慧敏;劉憲
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25C1/16;H01M8/06
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 戎文華

技術領域

本發明涉及一種利用微生物燃料電池從含有Hg²⁺的工業廢水中回收單質汞并產電驅動微生物電解池制氫并儲氫的方法。

技術背景

當今社會迫切需要各種廢物的有效處置和新型清潔能源的有效開發。氫氣是一種清潔、高效且可再生的能源，然而傳統的制氫技術需要消耗大量的化石燃料或電能，生產成本較高，且在使用過程中，有效的儲存成為氫氣利用的關鍵。微生物燃料電池MFC和微生物電解池MEC是近年來開發的以電活性微生物為催化劑，利用廢水中的有機物為燃料產電或制氫的新技術，有望成為未來有機污染物控制與資源化利用的兩項重要技術。MFC能夠自發的產生電能，而MEC能夠在外加少量電能0.2V~0.7V的情況下產生氫氣。利用能夠產生電能的MFC驅動需要少量外加電能的MEC，可在原位利用MFC產生的電能的同時產生清潔能源氫氣，并利用二者的陽極微生物去除廢水中的有機污染物，整個過程清潔，是社會可持續發展的必然要求。

在MFC產電過程中，陰極電子受體是影響電能輸出的關鍵。O₂是最常用的陰極電子受體，但由于動力學因素的影響，通常需要使用高效穩定的催化劑對陰極氧還原反應進行催化。長期以來，貴金屬鉑被認為催化氧還原反應最為高效和穩定的催化劑。但Pt的昂貴價格及其在自然中有限的儲量極大的限制了以氧氣為電子受體的MFC的大規模開發和應用。經研究證明，一些具有較高氧化還原電勢的氧化劑，如高錳酸鉀、鐵氰化鉀、重鉻酸鉀等作為陰極電子受體能夠大幅度提高MFC的輸出功率，但使用時需要不斷補充才能夠保持較高的功率輸出。而且有些反應的產物具有毒性，外排至環境中會引起水體污染。Hg²⁺具有較高的氧化還原電勢，被還原為Hg單質時的氧化還原電位為0.854V，遠遠高于鐵氰化鉀的氧化還原電位0.36V。含汞廢水對環境和人類都有很大危害。傳統的治理方法都有一些缺點，如中和法和溶劑萃取法會造成二次污染，離子交換法會吸附水中的礦物質。如果將含汞廢水用作MFC的陰極電子受體，即可使MFC輸出較高電壓，又能回收單質汞，獲得一舉二得之效。

為了降低MEC產氫所需的電壓，陰極材料需要具有良好的化學穩定性和較低的析氫過電位。而在氫能利用的過程中，氫的高效、安全儲存和運輸是其主要瓶頸之一。現存儲氫方法大致分為5種?,?即液態儲氫、高壓儲氫、有機化合物儲氫、金屬化合物儲氫和吸附儲氫，存在明顯的缺陷：需要有一個龐大的氫氣基礎設施，成本高、經濟性差等問題，離實現商業化應用還有很大的距離。而且氫氣大規模制備、輸送及加注等配套基礎，建設成本大、周期長。現有制氫工藝與儲氫技術多為高排放、低能效的過程,?原子經濟性差,?不具有可持續性.?并且隨著能源領域對氫氣需求的加劇,?來源的可持續性與儲運的高效、靈活性等問題逐日顯現,?成為阻礙氫能體系構筑與完善的關鍵因素。?

MOF多孔材料、碳納米管和二硫化鉬納米管是典型的儲氫容量很高的儲氫材料，且具有良好的催化活性，在制氫儲氫方面具有廣闊的應用前景。

因此，在現有技術的基礎上，整合開發一種集處理有機廢水、含汞廢水并回收重金屬汞以及制氫儲氫一體化的項目是非常及時的，也是非常必要的。

發明內容

本發明要解決的具體技術問題是：將微生物燃料電池MFC與微生物電解池MEC進行耦合，實現處理有機廢水、含汞廢水、回收重金屬汞以及制氫儲氫一體化，并提供一種微生物燃料電池自驅動微生物電解池制氫儲氫方法。

上述目的是通過以下技術方案來實現的。

一種微生物燃料電池自驅動微生物電解池制氫儲氫方法，其所述方法是設置由兩個MFC串聯為MEC供電的封閉系統，在處理有機廢水、含汞廢水并回收重金屬汞的同時，實現微生物燃料電池自驅動微生物電解池制氫儲氫。

進一步地，其所述方法是在兩個MFC串聯為MEC供電的封閉系統中，MFC與MEC的陽極利用電活性微生物處理有機廢水并產生電子；MFC的陰極還原Hg²⁺為單質Hg并回收；MEC的陰極還原H⁺并原位儲存；

所述MFC與MEC的陽極液是由濃度為0.5~3g/L的有機物、0.021~0.084mol/L的NaH₂PO₄·2H₂O、0.029~0.116mol/LNa₂HPO₄·12H₂O、0.31g/L的NH₄Cl、0.13g/L?KCl和20ml/L的其他微量元素構成；