一种微生物燃料电池耦合光电催化系统及应用技术方案

本发明专利技术涉及一种微生物燃料电池耦合光电催化系统及应用，其中微生物燃料电池耦合光电催化系统包括：由碳载体、聚合物粘结剂和催化剂构成的光阳极材料，及由微生物燃料电池和光电催化系统耦合成MFC

【技术实现步骤摘要】
一种微生物燃料电池耦合光电催化系统及应用


[0001]本专利技术涉及环境工程领域，具体公开一种微生物燃料电池耦合光电催化系统及应用。

技术介绍

[0002]吡啶(C5H5N)是一种有毒害的芳香族含氮杂环化合物，也是一类重要的化工原料和有机合成中间体，被广泛应用于医药、农药、塑料、染料、合成树脂等领域，此外还可用作溶剂、实验试剂和消毒剂等。吡啶结构稳定，代谢过程不易受到破坏，生物降解性差，具有致畸性、致癌性、致突变性，已列入世界卫生组织发布的致癌物2B类清单，由此使得吡啶成为环境领域中备受关注的一类污染物。含吡啶废水毒性大，如果被排放到水体、土壤中会通过食物链在生物体内富集和积累，对生态环境和人体健康造成潜在危害，因此加强对吡啶废水的治理迫在眉睫。
[0003]目前吡啶废水处理方法有物理法、化学法和生物法三大类。然而这些方法都是自身的局限性，其中物理法包括吸附法、精馏法和焚烧法等。吸附法主要以活性炭吸附吡啶为主，存在活性炭再生处置成本高，废弃活性炭为危险固体废弃物难处理。精馏法处理后的废水中吡啶含量较高，同时需要其他的处理设备，导致投资成本较大。焚烧法会产生一些有害气体，易造成二次污染。化学法包括电催化氧化法、微电解法、芬顿氧化法以及光催化氧化法等。电催化氧化法存在是阳极电板材质选取及能耗高等问题。微电解法存在如何补充阳极材料、氢氧化物沉积消除及废弃填料后续处理等问题。芬顿氧化法主要是运行成本较高、含铁污泥量大，污泥处理去向等问题。光催化氧化法存在反应所需能耗高、反应时间长、催化剂光腐蚀严重等问题。生物法处置技术存在修复周期长、污染物去除效果差、微生物易受水体环境变化影响等问题。
[0004]针对含吡啶废水降解难度大，毒性大的特点，目前单一的废水处理技术无法降解高浓度吡啶废水，因此以“高级氧化技术+生物处理技术”多技术联合处理技术才是未来的发展方向和趋势。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种微生物燃料电池耦合光电催化系统及应用，以克服现采用单一处理吡啶废水存在的上述缺陷。
[0006]为实现上述目的，本申请是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种微生物燃料电池耦合光电催化系统，包括：
[0008]光阳极材料，所述光阳极材料由碳载体、聚合物粘结剂和催化剂构成；
[0009]由微生物燃料电池(MFC)和光电催化系统(PEC)耦合成MFC
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PEC系统，其中光电催化系统的光催化电极由所述光阳极材料制备。
[0010]进一步的，所述催化剂为锡的硫化物/石墨相氮化碳复合材料催化剂。
[0011]进一步的，所述锡的硫化物为硫化亚锡、二硫化锡和三硫化二锡的至少一种。
[0012]进一步的，所述碳载体为碳毡、碳布或碳纸中的一种或几种。
[0013]所述聚合物粘结剂为聚环氧氯丙烷、聚乙烯醇和全氟磺酸型聚合物溶液中的至少一种。
[0014]进一步的，所述光阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)将盛有尿素的石英坩埚置于马弗炉中，以2～10℃/min的升温速率升温至400～650℃，在该温度下保持2～5h，煅烧完成后，待其冷却至室温后从马弗炉中取出，得到的浅黄色粉末，即为g
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C3N4纳米片；
[0016](2)将步骤(1)制备的设定量的g
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C3N4纳米片、锡源和硫源加入乙二醇溶液中，超声分散30min，将混合溶液转移不锈钢反应釜中，反应釜放入电热恒温鼓风干燥箱中，设置温度为120～180℃，反应时间为10～20h；冷却至室温后，将溶液离心获得产物，并分别用去离子水和乙醇洗涤，获得的粉末在恒温真空干燥箱中60～80℃干燥12～16h，即得到锡的硫化物/g
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C3N4复合材料催化剂；
[0017](3)将步骤(2)得到的催化剂与聚合物粘结剂混合，涂覆在预处理好的碳载体的表面，得到光阳极材料。
[0018]进一步的，步骤(2)中的锡源为氯化锡、硫酸锡或硝酸锡中的一种或几种。
[0019]进一步的，步骤(2)中的硫源为硫脲、硫代乙酰胺或硫化钠中的一种或几种。
[0020]进一步的，步骤(2)中锡的硫化物/g
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C3N4的负载比例按质量比为2％～50％。
[0021]进一步的，步骤(3)中催化剂与聚合物粘结剂混合比例按质量比为0.025％～0.080％。
[0022]进一步的，步骤(3)中碳载体预处理方法如下：碳载体置于烧杯中，依次用稀盐酸、去离子水和丙酮浸泡，最后用恒温真空干燥箱干燥，密封保存备用。
[0023]进一步的，MFC
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PEC系统的搭建方法，包括以下步骤：
[0024](11)将MFC阳极接PEC阴极，MFC阴极连接PEC阳极；
[0025](12)MFC为有机玻璃制双室结构，中间由预处理过的阳离子交换膜分隔，阴极为处理后石墨刷，阳极室中填充处理后的多孔碳毡小块，再用碳棒连接碳毡，最后接种来自人工湿地型MFC阳极液；
[0026](13)PEC为石英玻璃材质，阳极贴壁放置光催化电极，并采用铂黑对电极，光源采用高压短弧氙灯，可见光部分采用滤波片截滤；
[0027](14)MFC通过外电路电阻与PEC并联，外接100～1000Ω电阻箱。
[0028]进一步的，步骤(12)中的阳离子交换膜为全氟磺酸离子膜，处理方法如下：将全氟磺酸离子膜置于60～80℃的水浴锅中，依次用质量浓度3％～5％双氧水、去离子水、稀盐酸和去离子水浸泡，每次浸泡时间不少于30min。
[0029]进一步的，步骤(12)中的石墨刷处理方法如下：将碳刷的碳布纤维侧用丙酮浸泡40min，自然晾干之后用钛丝捆绑碳纤维丝，放入管式炉中，在200～400℃下烧结20～40min，冷却至室温。
[0030]进一步的，步骤(12)中碳毡处理方法如下：预先使用丙酮对其浸泡2～5h，除去表面的油溶性物质，再用煮沸的去离子水浸泡3～5h,接着用硝酸改性处理，将裁剪成小块的碳毡用浓硝酸浸泡5～8h后，用去离子水冲洗至中性，在80～120℃烘箱下干燥10～20h。
[0031]上述任一项的微生物燃料电池耦合光电催化系统，用于含吡啶废水的处理。
[0032]进一步的，含吡啶废水加入到MFC阳极室，首先通过MFC阳极然后进入PEC序列降解。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034]本专利技术实现了MFC与PEC系统的耦合，在生物电化学反应与光催化反应双重作用下，实现了含高浓度吡啶废水的高效降解，与单一的MFC系统相比，MFC
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PEC耦合系统产电能力提升了20％，大大提高了MFC生物电化学反应速率。
[0035]以本专利技术构建的MFC
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PEC耦合系统中微生物燃料电池的最高电压为0.80V，单个循环周期达到5天，持续180天仍处于稳定状态。
[0036]本专利技术所制备的光阳极材料具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，包括：光阳极材料，所述光阳极材料由碳载体、聚合物粘结剂和催化剂构成；由微生物燃料电池和光电催化系统耦合成MFC
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PEC系统，其中光电催化系统的光催化电极由所述光阳极材料制备。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，所述催化剂为锡的硫化物/石墨相氮化碳复合材料催化剂。3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，所述锡的硫化物为硫化亚锡、二硫化锡和三硫化二锡的至少一种。4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，所述碳载体为碳毡、碳布或碳纸中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，所述聚合物粘结剂为聚环氧氯丙烷、聚乙烯醇和全氟磺酸型聚合物溶液中的至少一种。6.根据权利要求1至5中任一项微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，所述光阳极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将盛有尿素的石英坩埚置于马弗炉中，以2～10℃/min的升温速率升温至400～650℃，在该温度下保持2～5h，煅烧完成后，待其冷却至室温后从马弗炉中取出，得到的浅黄色粉末，即为g
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C3N4纳米片；(2)将步骤(1)制备的设定量的g
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C3N4纳米片、锡源和硫源加入乙二醇溶液中，超声分散30min，将混合溶液转移不锈钢反应釜中，反应釜放入电热恒温鼓风干燥箱中，设置温度为120～180℃，反应时间为10～20h；冷却至室温后，将溶液离心获得产物，并分别用去离子水和乙醇洗涤，获得的粉末在恒温真空干燥箱中60～80℃干燥12～16h，即得到锡的硫化物/g
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C3N4复合材料催化剂；(3)将步骤(2)得到的催化剂与聚合物粘结剂混合，涂覆在预处理好的碳载体的表面，得到光阳极材料。7.根据权利要求6所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，步骤(2)中的锡源为氯化锡、硫酸锡或硝酸锡中的一种或几种。8.根据权利要求6所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，步骤(2)中的硫源为硫脲、硫代乙酰胺或硫化钠中的一种或几种。9.根据权利要求6所述的微生物燃料电池耦合光电催化系统，其特征在于，步骤(2)中锡的硫化物/g
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C3N4的负载比例按质量比为2％～50％。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞俊杰，粟辉，燕锡尧，周治军，魏国强，张冠军，李振，王珍，李振华，王浩存，谭精欣，刘令涛，王立健，
申请(专利权)人：山东海景天环保科技股份公司，
类型：发明
国别省市：