[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)中的大孔徑多孔間隔結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711488100.3
• 申請(qǐng)日: 2017-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108206288B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮玉杰;何偉華;李超;梁丹丹;曲友鵬;田言
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/0245
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/0245;H01M8/16
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種用于生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)中的大孔徑多孔間隔結(jié)構(gòu),涉及一種電化學(xué)系統(tǒng)中的大孔徑多孔間隔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的微生物電化學(xué)系統(tǒng)中間隔材料成本高的問(wèn)題。多孔間隔結(jié)構(gòu)主體為板狀或筒狀，結(jié)構(gòu)主體至少由一層大孔徑多孔間隔材料構(gòu)成；并且結(jié)構(gòu)主體中的大孔徑多孔間隔材料中至少有一層為絕緣材質(zhì)；所述大孔徑多孔間隔材料的孔為開(kāi)孔且孔徑為0.1μm～5mm。本發(fā)明間隔結(jié)構(gòu)用來(lái)分隔陰極室和陽(yáng)極室,該結(jié)構(gòu)具有滲流過(guò)水能力，維持兩側(cè)陰陽(yáng)極之間的溶解氧、COD梯度和陰陽(yáng)極離子的導(dǎo)通能力；結(jié)構(gòu)相對(duì)于離子/質(zhì)子交換膜可實(shí)現(xiàn)非常低的成本。本發(fā)明適用于生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電化學(xué)系統(tǒng)中的大孔徑多孔間隔結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

微生物電化學(xué)系統(tǒng)是能直接利用微生物的催化作用將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在微生物電化學(xué)系統(tǒng)中，陽(yáng)極中的微生物代謝廢水中的有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)，將電子轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極電極上，電子通過(guò)外電路傳導(dǎo)至陰極，在陰極電子經(jīng)過(guò)外電路與電子受體 O₂結(jié)合，質(zhì)子從溶液中由陽(yáng)極遷移至陰極，從而形成閉合回路，完成反應(yīng)過(guò)程。生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)是指由微生物在陰極表面附著，從電極上獲得電子并承擔(dān)系統(tǒng)中氧還原的催化功能。典型的生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，圖1中1a為陽(yáng)極室，2a 為陰極室，3a為陽(yáng)極，4a為陰極，5a為間隔材料層，6a為電阻。在微生物電化學(xué)系統(tǒng)中，污水進(jìn)入?yún)捬醯年?yáng)極室，陽(yáng)極降解大部分COD(有機(jī)污染物的化學(xué)需氧量)并將陽(yáng)極出水排入陰極室。陰極室則一般通過(guò)曝氣的方式維持好氧的環(huán)境并進(jìn)一步降低陽(yáng)極室出水中的少量COD。因此陽(yáng)極和陰極室中間的間隔材料在整個(gè)系統(tǒng)中起到分割陰陽(yáng)極室、維持陽(yáng)極到陰極的COD梯度(陽(yáng)極高/陰極低)以及陰極到陽(yáng)極的溶解氧梯度的功能(陰極高 /陽(yáng)極低)。

現(xiàn)有的微生物電化學(xué)系統(tǒng)中間隔材料采用的離子或質(zhì)子交換膜價(jià)格高；無(wú)膜生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)能夠不使用離子或質(zhì)子交換膜進(jìn)行水處理，但是無(wú)膜生物陰極微生物電化學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在缺陷；不適合構(gòu)建較大尺寸的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題；MBR膜材料可以替代現(xiàn)有的離子或質(zhì)子交換膜，但是MBR膜材料成本仍然較高；

現(xiàn)有的微生物電化學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)中間隔材料多采用離子或質(zhì)子交換膜。離子或質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴，依據(jù)品質(zhì)不同離子或質(zhì)子交換膜每平方米價(jià)格500～10000元不等，且在污水處理工藝使用中壽命僅為1～6個(gè)月。較短的壽命和高昂的成本是微生物電化學(xué)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法承受的。因此離子或質(zhì)子交換膜做為間隔材料的微生物電化學(xué)系統(tǒng)，仍?xún)H處于實(shí)驗(yàn)室水平，無(wú)法滿足水處理行業(yè)的需求。離子或質(zhì)子交換膜目前的價(jià)格昂貴同時(shí)，離子或質(zhì)子交換膜無(wú)法滿足陽(yáng)極液自然滲透進(jìn)入陰極室的要求，而必須通過(guò)管路繞流體系外部，增加了體系的結(jié)構(gòu)冗余和構(gòu)建成本。為提高微生物電化學(xué)系統(tǒng)的處理效率，往往需要在盡可能短的水力停留時(shí)間內(nèi)處理進(jìn)入陽(yáng)極的COD。離子或質(zhì)子交換膜能夠維持陰陽(yáng)極間的COD和溶解氧梯度但是并不具備將COD截留在陽(yáng)極室中的能力。大量COD隨著外部管路源源不斷的進(jìn)入陰極，造成體系性能下降，水質(zhì)狀況下降。