[發明專利]一種筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽的裝置及方法

有效

• 申請號: 201611233745.8
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106784951B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 張慧超;安眾一
• 申請（專利權）人: 煙臺大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C02F3/00;C02F3/30;C02F3/34
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

本發明屬于海水及苦咸水淡化、微生物電化學、微生物脫鹽燃料電池領域，涉及一種筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽裝置和方法。所述裝置由電阻、外電路、陽極液出水口、陰極及陰極生物膜、陰極液、陽離子交換膜、脫鹽室、陰極液進水口、陰極液出水口、陰極室頂蓋、陰離子交換膜、陽極及陽極生物膜、陽極液、筒狀反應器外殼、陽極液進水口、曝氣頭、支架組成。所述方法步驟如下：（1）陽極微生物的厭氧馴化；（2）MDC反應器的啟動；（3）MDC的脫鹽運行；（4）連續流運行情況。本發明優點是：適宜在實際中應用；最大功率密度可達到6.21 W/m³；續批式運行時，脫鹽速率為95.5 mg/h；結構簡單，操作方便，成本較低，速率較高。

技術領域

本發明涉及海水及苦咸水淡化、微生物電化學系統、微生物脫鹽燃料電池系統領域，尤其涉及一種筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽裝置及方法。

背景技術

微生物脫鹽燃料電池（MDC）是一種能夠同時產電、脫鹽和去除有機物的裝置。其基本構型為三室結構，分別為陽極室、脫鹽室和陰極室，陽極室和脫鹽室之間放置陰離子交換膜；脫鹽室和陰極室之間放置陽離子交換膜。在厭氧條件下，陽極表面的微生物分解陽極液內的有機底物，產生電子和H⁺；電子通過外電路到達陰極表面，被陰極的電子受體接收，產生電流。在這個過程中，由于陽極室產生大量剩余的H⁺，因此，脫鹽室內的Cl^-通過陰離子交換膜進入到陽極室內，由于離子平衡的作用，Na⁺將通過陽離子交換膜進入到陰極室中，因此，脫鹽室內鹽水的濃度下降。

MDC自提出以來，引起了眾多學者的關注。但是，在之前的研究中，多采用鐵氰化鉀化學陰極或Pt/C作為催化劑的空氣陰極。在使用鐵氰化鉀作為陰極的過程中，不僅鐵氰化鉀被消耗掉而使得成本較高，而且使用過的鐵氰化鉀會對環境造成二次污染。而Pt/C作為催化劑的空氣陰極，雖然不會造成污染，但Pt/C成本過高，限制了其實際應用的可能。而從構型上來講，現有反應器多采用“H”型結構，陽極室、陰極室與脫鹽室之間的交換面積較小，脫鹽效率不高。

發明內容

本發明的目的是提供一種以微生物作為陰極催化劑，以氧氣作為陰極電子受體，提高脫鹽室與陰陽極室間離子交換膜的面積的筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽的裝置及方法。該裝置可以達到降低運行成本、提高脫鹽速率的目的。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽的裝置，所述裝置包括外阻、外電路、陽極液出水口、陰極及陰極生物膜、陰極液、陽離子交換膜、脫鹽室、陰極液進水口、陰極液出水口、陰極室頂蓋、陰離子交換膜、陽極及陽極生物膜、陽極液、筒狀反應器外殼、陽極液進水口、曝氣頭、支架、脫鹽室進水口、脫鹽室出水口；

所述的反應器為套筒狀結構，反應器底端為封閉端，頂端為敞口端，反應器由筒狀反應器外殼、陽離子交換膜制成的內套以及陰離子交換膜制成的外套組成，所述內套、外套及筒狀反應器外殼由內至外依次套裝，且內套及外套均與筒狀反應器外殼的底面固接，筒狀反應器外殼通過支架支撐，內套與外套之間的空間為脫鹽室，所述脫鹽室內加入NaCl溶液，NaCl溶液的濃度為5~35 g/L；所述脫鹽室下部設有脫鹽室進水口，脫鹽室上部設有脫鹽室出水口；外套與筒狀反應器外殼之間的空間為陽極室，內套的空間為陰極室，所述陰極室頂部裝有陰極室頂蓋，所述陰極及陰極生物膜設置在陰極室內，陰極室內充滿陰極液，筒狀反應器外殼底部設有與陰極室相通的陰極液進水口，所述陰極室頂蓋上設有與陰極室相通的陰極液出水口，所述曝氣頭安裝在筒狀反應器外殼底部并與陰極室相通，所述陽極及陽極生物膜設置在陽極室內，陽極室內充滿陽極液，筒狀反應器外殼側壁的上端和下端依次設有與陽極室相通的陽極液出水口和陽極液進水口，陰極和陽極分別采用鈦絲與外電路相連接，外電路采用導線相連接。

一種利用上述裝置實現筒狀生物陰極微生物脫鹽燃料電池脫鹽的方法，所述方法具體步驟如下：