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空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201310063767.4

申請日:

2013.02.28

公開號:

CN103165931B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01M 8/16申請日:20130228|||公開
IPC分類號: H01M8/16 主分類號: H01M8/16
申請人: 哈爾濱工業大學
發明人: 邢德峰; 唐宇; 賈建娜; 吳迪
地址: 150001 黑龍江省哈爾濱市南崗區西大直街92號
優先權:
專利代理機構: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109 代理人: 韓末洙
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310063767.4

授權公告號:

103165931B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2013.07.24|||2013.06.19

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,它涉及一種利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾,回收能源的方法。它要解決現有餐廚垃圾的處理方法能源利用率低,易引發二次污染的問題。方法:一、碳粉與PTFE混勻,涂抹于碳布上,在馬弗爐內加熱;二、再涂上高濃度PTFE加熱;三、再涂抹鉑碳催化劑,得到載鉑的碳布陰極;四、制備碳刷陽極;五、用導線將碳刷陽極、電阻和空氣陰極連接,組裝電池反應器;六、預處理食物滲濾液;七、配制PBS緩沖液,稀釋滲濾液;八、滲濾液調至中性;九、反應器進水注入反應器,處理餐廚垃圾回收電能。利用本發明處理餐廚垃圾效率良好,COD去除率達86.4%。主要應用于餐廚垃圾的處理利用。

權利要求書

權利要求書空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實現:
一、將碳粉與體積濃度為35%~45%的PTFE震蕩混勻,涂抹于碳布一側,在室溫下干燥10~15min后置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min,得到處理后的碳布;
二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側再涂抹上體積濃度為55%~65%的PTFE,室溫下冷卻10~15min后再置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min;
三、重復步驟二的過程3~5次,得到碳布陰極,然后在碳布陰極上涂抹鉑碳催化劑,得到載鉑的碳布陰極;
四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍,碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布,形成長徑比為(1~1.5):1的圓柱形碳刷陽極;
五、把步驟四得到的碳刷陽極固定到電池反應器一側,捆扎有碳纖維的碳刷陽極作為主體部分位于電池反應器中部,在電池反應器另一側固定步驟三得到的載鉑的碳布陰極,載鉑側對電池反應器內,非載鉑側對大氣,形成空氣陰極,碳刷陽極的前端距離碳布陰極0.8~1.5cm,然后用導線將碳刷陽極、500~2000Ω電阻和空氣陰極連接,再用防水膠將電池反應器密封,完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應器的組裝;
六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液,使用攪碎機將食物滲濾液中的有機顆粒物絞碎,去除食物滲濾液表面上的浮油,然后保存在?4℃的冰箱內待用,得到預處理后的食物滲濾液;
七、按每升去離子水中加入質量濃度為10~13g/L的Na2HPO4·12H2O,2.5~3.5g/L的NaH2PO4·2H2O,0.2~0.4g/L的NH4Cl和0.1~0.2g/L的KCl,配制PBS緩沖液,用PBS緩沖液稀釋預處理后的食物滲濾液10~20倍,得到稀釋的食物滲濾液;
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液調節稀釋的食物滲濾液的pH至中性,得到反應器進水;
九、在室溫下,反應器進水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應器,控制進水COD為2500~4500mg/L,監測電阻兩端的電壓降至40~70mV時,重新注入反應器進水,完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾;
其中步驟三中的鉑碳催化劑是由鉑碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。
根據權利要求1所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟三中每6cm2碳布陰極上涂抹的鉑碳催化劑中的原料用量為15mg的鉑碳粉末,12.48μL的去離子水,100μL的Nafion和50μL的異丙醇。
根據權利要求1或2所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟四圓柱形碳刷陽極橫截面的直徑為2.5cm。
根據權利要求1所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟五電池反應器的有效容積為20~40ml。
根據權利要求4所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟五用導線將碳刷陽極、500Ω電阻和空氣陰極連接。
根據權利要求5所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟六有機顆粒物絞碎至顆粒物直徑為0.5~1mm。
根據權利要求6所述的空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法,其特征在于步驟七按每升去離子水中加入質量濃度為11.55g/L的Na2HPO4·12H2O,2.77g/L的NaH2PO4·2H2O,0.31g/L的NH4Cl,0.13g/L的KCl,配制PBS緩沖液。

說明書

說明書空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法
技術領域
本發明涉及一種利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾,回收能源的方法。
背景技術
我國每年餐廚垃圾的產量超過6000萬噸,北京、上海等城市日產食物垃圾超過1000噸。目前,食物垃圾主要是送至垃圾填埋場處理,然而垃圾填埋場處理占地面積較大,處理效果差,且填埋場容易產生高濃度的滲濾液污染土壤與水體,造成嚴重的二次污染。另外,填埋場極易產生甲烷、二氧化碳等溫室氣體,影響全球氣候環境。此外,處理過程中產生的惡臭,又會影響人們的生活環境。傳統的垃圾填埋場處理,成本高,效果較差,據統計,美國每年在處理食物垃圾上投資超過250億美元,同樣,在我國也存在著食物垃圾難處理,處理成本高等問題。
由于餐廚垃圾具有可生化降解程度高、產量大等特點,是一種極具開發潛力的新能源。當今人類面臨著能源日益短缺、能源價格增高、能源利用效率較低、能源開發利用與環境保護的矛盾突出等諸多問題。故亟需尋找一種經濟高效處理餐廚垃圾,同時可以有效回收其中潛在能源的新方法。近年來,微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)的興起,已有研究以葡萄糖、乙酸、生活污水、污泥等為底物的MFC反應器可在處理底物的同時產生較穩定的電能。
發明內容
本發明目的是為了解決現有餐廚垃圾的處理方法能源利用率低,易引發二次污染的問題,而提供空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法。
本發明空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實現:
一、將碳粉與體積濃度為35%~45%的PTFE(聚四氟乙烯)震蕩混勻,涂抹于碳布一側,在室溫下干燥10~15min后置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min,得到處理后的碳布;
二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側再涂抹上體積濃度為55%~65%的PTFE,室溫下冷卻10~15min后再置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min;
三、重復步驟二的過程3~5次,得到碳布陰極,然后在碳布陰極上涂抹鉑碳催化劑,得到載鉑的碳布陰極;
四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍,碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布,形成長徑比為(1~1.5):1的圓柱形碳刷陽極;
五、把步驟四得到的碳刷陽極固定到電池反應器一側,捆扎有碳纖維的碳刷陽極作為主體部分位于電池反應器中部,在電池反應器另一側固定步驟三得到的載鉑的碳布陰極,載鉑側對電池反應器內,非載鉑側對大氣,形成空氣陰極,碳刷陽極的前端距離碳布陰極0.8~1.5cm,然后用導線將碳刷陽極、500~2000Ω電阻和空氣陰極連接,再用防水膠將電池反應器密封,完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應器的組裝;
六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液,使用攪碎機將食物滲濾液中的有機顆粒物絞碎,去除食物滲濾液表面上的浮油,然后保存在?4℃的冰箱內待用,得到預處理后的食物滲濾液;
七、按每升去離子水中加入質量濃度為10~13g/L的Na2HPO4·12H2O,2.5~3.5g/L的NaH2PO4·2H2O,0.2~0.4g/L的NH4Cl和0.1~0.2g/L的KCl,配制PBS緩沖液,用PBS緩沖液稀釋預處理后的食物滲濾液10~20倍,得到稀釋的食物滲濾液;
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液調節稀釋的食物滲濾液的pH至中性,得到反應器進水;
九、在室溫下,反應器進水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應器,控制進水COD為2500~4500mg/L,監測電阻兩端的電壓降至40~70mV時,重新注入反應器進水,完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾;
其中步驟三中的鉑碳催化劑是由鉑碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。
本發明在進水COD負荷為3200±400mg/L的情況下,微生物燃料電池產電最高電壓達到332mV,平均穩定產電時間為23h,功率密度達18W/m3,產電效果穩定良好。同時利用本發明的空氣陰極微生物燃料電池反應器處理餐廚垃圾的效率良好,COD去除率達86.4%;糖、蛋白質及總氮的去除率分別為95.9%、67.1%和16.1%,去除率較高,反應器的出水可直接排放至生活污水管道,與普通生活污水一并處理,處理成本低,同時可以使用微生物燃料電池反應器的外電路回收電能,經濟效率高。本發明主要應用于餐廚垃圾的處理利用。
附圖說明
圖1是單室空氣陰極微生物燃料電池反應器的結構示意圖,1—反應器外殼,2—空氣陰極,3—碳刷陽極,4—鈦絲,5—反應器進水口,6—反應器出水口,7—導線,8—電阻,9—陰極連接導線。
具體實施方式
具體實施方式一:結合附圖1對具體實施方式作進一步說明:本實施方式空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實施:
一、將碳粉與體積濃度為35%~45%的PTFE(聚四氟乙烯)震蕩混勻,涂抹于碳布一側,在室溫下干燥10~15min后置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min,得到處理后的碳布;
二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側再涂抹上體積濃度為55%~65%的PTFE,室溫下冷卻10~15min后再置于馬弗爐內,在350~400℃下加熱處理15~30min,取出在室溫下冷卻10~15min;
三、重復步驟二的過程3~5次,得到碳布陰極,然后在碳布陰極上涂抹鉑碳催化劑,得到載鉑的碳布陰極;
四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍,碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布,形成長徑比為(1~1.5):1的圓柱形碳刷陽極;
五、把步驟四得到的碳刷陽極固定到電池反應器一側,捆扎有碳纖維的碳刷陽極作為主體部分位于電池反應器中部,在電池反應器另一側固定步驟三得到的載鉑的碳布陰極,載鉑側對電池反應器內,非載鉑側對大氣,形成空氣陰極,碳刷陽極的前端距離碳布陰極0.8~1.5cm,然后用導線將碳刷陽極、500~2000Ω電阻和空氣陰極連接,再用防水膠將電池反應器密封,完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應器的組裝;
六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液,使用攪碎機將食物滲濾液中的有機顆粒物絞碎,去除食物滲濾液表面上的浮油,然后保存在?4℃的冰箱內待用,得到預處理后的食物滲濾液;
七、按每升去離子水中加入質量濃度為10~13g/L的Na2HPO4·12H2O,2.5~3.5g/L的NaH2PO4·2H2O,0.2~0.4g/L的NH4Cl和0.1~0.2g/L的KCl,配制PBS緩沖液,用PBS緩沖液稀釋預處理后的食物滲濾液10~20倍,得到稀釋的食物滲濾液;
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液調節稀釋的食物滲濾液的pH至中性,得到反應器進水;
九、在室溫下,反應器進水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應器,控制進水COD為2500~4500mg/L,監測電阻兩端的電壓降至40~70mV時,重新注入反應器進水,完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾;
其中步驟三中的鉑碳催化劑是由鉑碳粉末、去離子水、Nafion和異丙醇制成。
本實施方式空氣陰極微生物燃料電池(MFC)由陽極、陰極及外電路組成,陰極使用金屬鉑作為催化劑來降低陰極反應的過電位損失。反應器陽極附近的產電微生物,以反應器的有機底物為營養物質,在微生物的新陳代謝過程中,分解利用底物,產生質子與電子,質子由反應器內部運動至空氣陰極,電子則通過外電路運動至陰極。在空氣陰極,質子、電子與氧氣結合生成水,從而完成了底物的分解,且隨著電子通過外電路的過程產生電能,并通過將食物滲濾液保存在?4℃的冰箱,起到防止食物滲濾液自發厭氧發酵變質的目的。因而,空氣陰極微生物燃料電池(MFC)可在厭氧條件下,借助發酵微生物對復雜底物的降解作用和產電微生物對簡單有機物分解作用對食物滲濾液進行降解,回收其中的電能。
具體實施方式二:本實施方式與具體實施方式一不同的是步驟三中每6cm2碳布陰極上涂抹的鉑碳催化劑中的原料用量為15mg的鉑碳粉末,12.48μL的去離子水,100μL的Nafion和50μL的異丙醇。其它步驟及參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三:本實施方式與具體實施方式一或二不同的是步驟四圓柱形碳刷陽極橫截面的直徑為2.5cm。其它步驟及參數與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四:本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是步驟五電池反應器的有效容積為20~40ml。其它步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五:本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是步驟五用導線將碳刷陽極、500Ω電阻和空氣陰極連接。其它步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六:本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是步驟六有機顆粒物絞碎至顆粒物直徑為0.5~1mm。其它步驟及參數與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七:本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是步驟七按每升去離子水中加入質量濃度為11.55g/L的Na2HPO4·12H2O,2.77g/L的NaH2PO4·2H2O,0.31g/L的NH4Cl,0.13g/L的KCl,配制PBS緩沖液。其它步驟及參數與具體實施方式一至六之一相同。
實施例一:本實施例空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾回收電能的方法按下列步驟實施:
一、將碳粉與體積濃度為40%的PTFE(聚四氟乙烯)震蕩混勻,涂抹于碳布一側,在室溫下干燥10min后置于馬弗爐內,在370℃下加熱處理20min,取出在室溫下冷卻10min,得到處理后的碳布;
二、往處理后的碳布涂有PTFE的一側再涂抹上體積濃度為60%的PTFE,室溫下冷卻10min后再置于馬弗爐內,在370℃下加熱處理20min,取出在室溫下冷卻10min;
三、重復步驟二的過程3次,得到碳布陰極,然后在碳布陰極上涂抹鉑碳催化劑,得到載鉑的碳布陰極;
四、將碳纖維均勻捆扎在鈦絲周圍,碳纖維沿鈦絲橫截面的徑向分布,形成長為2.5cm,橫截面直徑為2.5cm的圓柱形碳刷陽極;
五、把步驟四得到的碳刷陽極固定到有效容積為28ml的電池反應器一側,捆扎有碳纖維的碳刷陽極作為主體部分位于電池反應器中部,在電池反應器另一側固定步驟三得到的載鉑的碳布陰極,載鉑側對電池反應器內,非載鉑側對大氣,形成空氣陰極,碳刷陽極的前端距離碳布陰極1cm,然后用導線將碳刷陽極、500Ω電阻和空氣陰極連接,再用防水膠將電池反應器密封,完成單室空氣陰極微生物燃料電池反應器的組裝;
六、收集餐廚垃圾中的食物滲濾液,使用攪碎機將食物滲濾液中的有機顆粒物絞碎,去除食物滲濾液表面上的浮油,然后保存在?4℃的冰箱內待用,得到預處理后的食物滲濾液;
七、按每升去離子水中加入質量濃度為11.55g/L的Na2HPO4·12H2O,2.77g/L的NaH2PO4·2H2O,0.31g/L的NH4Cl和0.13g/L的KCl,配制PBS緩沖液,用PBS緩沖液稀釋預處理后的食物滲濾液15倍,得到稀釋的食物滲濾液;
八、用1mol/L HCl和1mol/L NaOH溶液調節稀釋的食物滲濾液的pH至中性,得到反應器進水;
九、在室溫下,反應器進水注入單室空氣陰極微生物燃料電池反應器,控制進水COD為3200mg/L,監測電阻兩端的電壓降至65mV時,重新注入反應器進水,完成空氣陰極微生物燃料電池處理餐廚垃圾;
其中步驟三中每6cm2碳布鉑碳催化劑中原料的含量為15mg鉑碳粉末,12.48μL去離子水,100μLNafion和50μL異丙醇。
本實施例以外電路中電阻兩側功率輸出表征產電效能。在進水COD負荷為3200mg/L的情況下,微生物燃料電池產電最高電壓達到332mV,平均穩定產電時間為23h,功率密度達18W/m3,產電效果穩定良好。同時利用空氣陰極微生物燃料電池反應器處理餐廚垃圾的效率良好,COD去除率達86.4%;糖、蛋白質及總氮的去除率分別為95.9%、67.1%和16.1%,去除率較高,反應器的出水可直接排放至生活污水管道,與普通生活污水一并處理,處理成本低。

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空氣 陰極 微生物 燃料電池 處理 垃圾 回收 電能 方法
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