燃料電池系統和汙水處理產電及還原重金屬的方法
2023-04-27 15:47:56
專利名稱：燃料電池系統和汙水處理產電及還原重金屬的方法
技術領域：
本發明涉及水處理工藝，尤其涉及一種採用微生物反應處理汙水並產生電能的燃
料電池系統和汙水處理產電及還原重金屬的方法。
背景技術：
隨著國家或企業對綠色環保和節約資源等的需求，汙(或廢)水處理變得越來越 受到大眾的重視。目前較為有效可行的汙水處理通常採用生物處理方法。例如，傳統的生 物處理工藝使用二次沉澱池來對汙水進行處理。然而，在進行汙水處理時，汙水在經過生化 反應後，還需要經過二次沉澱池沉澱後才可排放，造成汙水處理的過程較長。另外，採用二 次沉澱池的處理工藝佔地面積大，投資成本高。尤其是當運行泥齡較高時，這會導致不良的 汙泥沉澱性。因此，這種處理系統及工藝並不適宜用於人口密集的地域。
隨著工業化生產的發展，重金屬越來越弓|起人們的關注。隨著環保要求的日益嚴 格，對含重金屬廢水處理的要求也越來越高，已不單純局限於末端治理，而是向清潔生產轉 化，要求實現廢水淨化回用的同時實現重金屬的回收。目前已開發應用的含重金屬廢水處 理方法主要有化學法、物理化學法和生物法，包括化學沉澱、電解、離子交換、膜分離、活性 碳和矽膠吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。 一般的化學法處理含重金屬廢水時， 由於許多重金屬廢水中含有大量的有機絡合物，限制了化學沉降過程，導致處理後的廢水 重金屬含量超標；處理過程投加酸鹼藥劑，操作複雜，成本難以控制，沉降汙泥成分複雜，難 以處理，容易帶來二次汙染。生物處理法雖然具有成本低，處理方便的優點，但由於受廢水 毒性的影響，很難大規模實現，且處理的效率低，效果較差。應用電化學法回收重金屬的處 理方法，在電解過程中，溶液與電源的正負極接觸並發生氧化還原反應，當對重金屬廢水進 行電解時，廢水中的重金屬離子在陰極得到電子而被還原，這些重金屬或沉積在電極表面 或沉澱到反應槽底部，從而降低廢水中重金屬含量。 中國正面臨快速發展與環境制約的突出矛盾，存在一些區域水環境中有機物和重 金屬汙染嚴重的狀況。例如，珠江三角洲是重要的印刷電路板(PrintedCircuit Board, PCB)生產和出口基地，僅深圳就有PCB生產企業150餘家，年生產能力1100萬平方米以上， 在創造幾百億元產值的同時也產生大量含高濃度重金屬及有機物的廢液和廢水。由於處理 方法落後，致使排放的廢水含有銅、鎳、鉛等重金屬離子，嚴重汙染環境。因此，如何有效去 除銅、鎳、鉛等重金屬離子的成為當前迫切需要解決的問題。
發明內容
有鑑於此，有必要提供一種結構簡單、成本低、能充分利用陰極還原力的燃料電池 系統。 以及提供一種採用上述燃料電池系統進行汙水處理產電及還原重金屬的方法。
—種燃料電池系統，其包括生物反應器，所述生物反應器包括陰極室和陽極室，所 述陰極室和陽極室內分別設有陰電極和陽電極，所述陰極室和陽極室內分別具有微生物活性物，所述陰極室和陽極室之間通過質子交換膜相間隔，所述陽極室內流通汙水並通過其
內的微生物活性物對汙水進行處理，所述陰極室內包含重金屬離子溶液並在其內使重金屬
離子還原，所述陽極室內產生質子和電子，所述質子通過所述質子交換膜遷移至所述陰極
室，使兩極室在反應器內部電性連通，並使生物反應器處理汙水的同時產生電能。 以及，一種汙水處理產電及還原重金屬的方法，其採用上述的燃料電池系統來進
行汙水處理、產電及還原重金屬，該方法包括以下步驟 將汙水導入所述陽極室內； 將重金屬離子溶液導入所述陰極室內； 通過所述陽極室內的微生物活性物對流經所述陽極室的汙水進行處理，同時產生 質子和電子，所述質子通過所述質子交換膜遷移至所述陰極室； 所述重金屬離子溶液在所述陰極室內接受電子被還原，所述陽極室中產生的質子 通過所述質子交換膜遷移至所述陰極室，使兩極室在反應器內部電性連通，產生電能。
在上述技術方案中，所述陰極室內包含重金屬離子溶液，並以其作為電子受體，從 而在汙水處理和產電過程中不用鼓入氧氣，整個燃料電池系統可省卻傳統所需的曝氣裝 置，從而，使得整個系統結構簡單，成本低，進行汙水處理和產電時，操作也較為簡便。而且， 由於陰極室可以採用包含重金屬離子的溶液作為陰極溶液，因此上述系統和方法不但可以 同時實現汙水淨化和產電，還可以將重金屬離子還原，充分利用陰極還原力，從陰極溶液中 回收重金屬。
圖1是本發明實施例的燃料電池系統示意圖。 圖2是本發明實施例的汙水處理產電及還原重金屬的方法流程圖。 圖3是本發明的實施例1和2以及對比例中的微生物燃料電池(MFC)啟動後電壓
隨時間變化曲線圖。 圖4是本發明的實施例l和2以及對比例中的MFC運行時的輸出電壓和功率隨電 流強度的變化曲線圖。 圖5是本發明的實施例1和2以及對比例中的MFC運行時的陽極溶液和陰極溶液 裡重金屬離子濃度的變化曲線圖。 圖6是本發明的實施例1和2以及對比例中的MFC運行結束後石墨陰極的XRD圖 譜。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並 不用於限定本發明。 請參閱圖l，顯示本發明實施例的燃料電池系統IO，該燃料電池系統10為一微生 物燃料電池系統，包括一生物反應器12，該生物反應器12包括陰極室13和陽極室14以及 分隔陰極室13和陽極室14的質子交換膜(PEM) 16。陰極室13和陽極室14內部分別設有 陰電極131和陽電極141。陰極室13和陽極室14內分別具有微生物活性物，用於對水流進行處理。質子交換膜16構成導通陰極室13和陽極室14的通道17。陽極室14內流通汙水 並通過其內的微生物活性物對汙水進行處理，例如，對汙水內的有機物進行氧化處理，陽極 室14內產生質子和電子。陰極室13內包含重金屬離子溶液並在其內使重金屬離子還原， 陽極室14內產生的質子通過質子交換膜16遷移至陰極室13，使兩極室在反應器內部電性 連通，並使生物反應器處理汙水的同時產生電能。 反應器12可以採用透明材料如有機玻璃製成，以便於觀察反應器12內的水位，但 不限於此。陰極室13具有陰極室入口 132和陰極室出口 133，陽極室14具有陽極室入口 142和陽極室出口 143。其中，各入口 132和142開設於各室靠近頂部的位置，各出口 133 和143分別開設於各室靠近底部的位置，從而使得陰極室13和陽極室14內的水流方向為 下向流式流動，並分別流經各自室內的電極。 兩極室13和14內的陰電極131和陽電極141可採用石墨電極，每個石墨電極都 是以傾斜方式插入至對應極室內，傾斜可以是相對質子交換膜或水流流動方向成一定角 度，例如，石墨電極相對水平方向的傾斜角度大致在30-75度，優選為45-65度，更優選為60 度。其中，在陽極室14內設有兩片石墨電極，它們交叉連接設置，相互電性連接，陰電極13 包括至少一片傾斜設置的石墨電極。兩極室13和14可以採用矩形容器，此時，每個石墨電 極可以是由連接到容器的對角傾斜設置，即設置在容器的對角線上。在應用時，兩極室13 和14內的石墨電極外端進一步連接一負載15。 本實施例中採用重金屬離子溶液作為陰極溶液，接受電子，不需要鼓入氧氣或空 氣，因而，可不採用曝氣裝置。重金屬離子溶液可以包含銅離子、鋅離子、鎳離子、鉛離子、鎘 離子或鉻離子中的至少一種，但不限於上述離子種類。在一個具體實施例中，陰極室13內 進一步添加有緩衝溶液，例如磷酸鹽溶液。該緩衝溶液是在導入重金屬離子溶液之前加入 到陰極室13內，即延遲加入重金屬離子溶液。此時，由於暫時未有大量的電子受體，可以先 利用一曝氣裝置(圖未示)向陰極室13內鼓入氧氣或空氣，以暫時性地提供好氧環境。這 樣運行一定時間後，再向陰極室13內導入重金屬離子溶液。 在另一個具體實施例中，即使在陰極室13內添加有呈中性的緩衝溶液，也可以不
採用曝氣裝置進行鼓氣，直接利用緩衝溶液進行預先運行水處理和產電過程，使得微生物
得到初步培養。這樣運行一定時間後，再向陰極室13內導入重金屬離子溶液。 請一併參閱圖1和圖2，說明利用本實施例的微生物燃料電池系統10進行汙水處
理產電及還原重金屬的方法，該方法包括以下步驟 S01 :將汙水導入陽極室14內； S02 :將重金屬離子溶液導入陰極室13內； S03 :通過陽極室14內的微生物活性物對流經陽極室14的汙水進行處理，同時產 生質子和電子，質子通過質子交換膜16遷移至陰極室13 ; S04 :重金屬離子溶液在陰極室13內接受電子被還原，陽極室14中產生的質子通 過質子交換膜16遷移至陰極室14，使兩極室在反應器12內部電性連通，產生電能。
在步驟S01和S02中，本實施例的汙水取自深圳市羅芳汙水處理廠的厭氧汙泥，將 其加入汙水中馴化預定時間(如約24小時)後作為接種汙泥。本實施例中作為試驗，反應 器12內供給的底物為自配的葡萄糖有機汙/廢水。汙水可利用一蠕動泵導入陽極室14內， 反應溫度恆定在35士2t:。本實施例中，陰極室13內的重金屬離子溶液採用重金屬的硫酸
5鹽溶液作為示例，硫酸鹽溶液的濃度為0. lmol/L，實際應用時可根據需要採用其它重金屬 離子溶液，並配成所需的濃度，或者直接取含重金屬離子的汙水/廢水，並不限於此。
在步驟S03中，下向流動的水流經陽極室14，其內的微生物活性物對水流進行處 理，同時產生質子和電子。電子則經陽極141遷移出，進入外部電路。質子則滲透過質子交 換膜16遷移至陰極室13。 在步驟S04中，重金屬離子溶液在陰極室13內接受電子被還原，該電子來自於外 部電路，例如通過具有負載15的外部通路。陽極室14中產生的質子通過質子交換膜16遷 移至陰極室14，使兩極室在反應器12內部電性連通，在外部電路和內部電路都形成電性導 通，從而產生電能。 下面以試驗為例，採用模擬廢水，例如可取自深圳市羅芳汙水處理廠的厭氧汙泥， 將其加入汙水中馴化24小時後作為接種汙泥，重金屬離子溶液以包含銅離子的硫酸銅溶 液為例。底物為葡萄糖水，其主要成分有(mg/L) :C6H12065000 ;CaCl2 275 ;NaCl 1000 ;NH4C1 400 ;NaHC03 3 0 00 ;同時還加入微生物生長所需的微量元素。另外，如圖1所示，負載採用可 變電阻箱15 (電阻值範圍在0 9999Q)，電阻調整為1000 Q 。再利用一數據採集卡152 採集數據，每隔30秒記錄一次電壓數據，存入計算機。 操作時，在上述斜板MFC中接種馴化過的活性汙泥100ml，並加入900ml模擬廢水， 利用蠕動泵將模擬廢水泵入陽極室14內，同樣，將陰極溶液導入陰極室13內。在1000 Q 的外電阻負載下，測量輸出電壓隨時間的變化曲線。 其中，每隔30秒通過數據採集系統記錄反應器的輸出電壓(U)，通過I 二U/R得到 電流。採取穩態放電極化曲線法測定表觀外阻。TOC採用TOC分析儀(multiN/C3100)測 定；陰極溶液重金屬離子濃度採用火焰原子吸收分光光度法測定。庫倫效率E按照公式(1) 計算。 E=_^——Mxl00% (D 式中，"為ti時刻MFC輸出電壓；R為外電阻^為法拉第常數，9645C mo1—1 ;b
為微生物分解lmol TOC所產生的電子的摩爾數，等於4e—^ol mo1—1 ; A S為TOC的去除濃
度(g*L—"，V是陽極溶液的體積(L)，M為碳的分子量，等於12g'L—、 陰極還原物質成分分析日本理學，D/max 2500PC型高分辨X射線衍射儀，轉靶，
18KW。 在具體的實施例中，陰極室13至少有兩種進料方式，具體如下。
實施例1(M2) 在向陽極室14裡加入900ml葡萄糖模擬廢水和菌種混合液後，先往陰極室13裡
加入900ml磷酸鹽緩衝液(pH = 6. 8)並曝入氧氣，運行24h後，再將緩衝溶液換成0. lmo1/
L的硫酸銅溶液。然後，再按照上述步驟S03-S04進行操作。在操作過程中，測量MFC輸出
電壓隨時間變化，得到如圖3中所示的圓形圖標曲線，箭頭表示往陰極室裡加入硫酸銅溶
液的時間點。 實施例2 (M3) 在向陽極室14裡加入900ml葡萄糖模擬廢水和菌種混合液後，先往陰極室13裡加入900ml磷酸鹽緩衝液(pH = 6. 8)但不曝氣，運行48h後再將緩衝溶液換成0. lmol/L 的硫酸銅溶液。然後，再按照上述步驟S03-S04進行操作。在操作過程中，測量MFC輸出電 壓隨時間變化，得到如圖3中所示的方形圖標曲線，箭頭表示往陰極室裡加入硫酸銅溶液 的時間點。 對比例(Ml) 作為與上述兩實施例的對比，進行如下進料方式。先向陽極室14裡加入900ml葡 萄糖模擬廢水和菌種混合液，同時往陰極室裡加入900ml硫酸銅溶液然後，再按照上述步 驟S03-S04進行操作。在操作過程中，測量MFC輸出電壓隨時間變化，得到如圖3中所示的 三角形圖標曲線，箭頭表示往陰極室裡加入硫酸銅溶液的時間點。 在上述實施例和對比例中，由圖3可知，對比例啟動的初始階段由於陰極室沒有 曝氣，輸出電壓基本上一直僅50mv左右並緩慢增長，但5h後發現其輸出電壓開始持續下降 至OV。探究其原因，通過觀察發現已有相當數量的銅離子透過PEM遷移到陽極室13使陽極 混合液呈淺藍色，銅離子導致陽極微生物死亡，對比例啟動失敗。在實施例1中，陰極曝氣 後產電上升較快，運行24h時後，將陰極室13的緩衝溶液換成0. lmol/L的硫酸銅溶液後， 輸出電壓從0. 35V急劇下降至0. 2V左右，運行48h時後，下降至0. 15V後回升，最後穩定在 0. 2V-0. 25V之間。在實施例2中，運行48h後，將陰極室13的緩衝溶液換成0. lmol/L的硫 酸銅溶液後，產電急劇上升至0. 22V，之後緩慢增長最後穩定在0. 46V左右。
由此可見，硫酸銅作MFC陰極溶液存在銅離子離子向陽極室滲透的問題，延遲加 入硫酸銅有助於減少銅離子離子的滲透，主要原因在於，陽極微生物經過一段時間的培養 後形成的生物膜上積累的大量電子使陽極形成較高的初始電勢，電路接通後PEM的正反兩 面將會形成一定的電勢差促使陽極溶液裡的H+及其他陽離子向陰極室遷移並且阻礙陰極 溶液裡面的銅離子在濃度差的壓力下向陽極室遷移。 對於成功啟動的兩個實施例1和2，硫酸銅陰極溶液的MFC產電基本穩定後進行 穩態放電試驗，測定所得極化曲線和輸出功率密度如圖4所示(功率密度和電流密度均按 陽極室有效體積計算得到)。結果表明，實施例1的開路電壓僅為O. 4958V,對其極化曲 線擬合可以得到表觀內阻為454. 4Q ，最大產電功率密度為115. 26mw/m3 ;而實施例2的開 路電壓能達到0. 7477V,對其極化曲線擬合得到表觀內阻為339. 39Q ，最大功率密度達到 355. 5mw/n^。可見，硫酸銅陰極溶液的MFC的啟動方法(或加料方式)不但影響輸出電壓，而
且還影響電池的表觀內阻和輸出功率。根據電壓變化曲線積分求得累計產電量p-iL^
再由TOC累計去除量和累計產電量，根據公式(1)求得實施例1和2的庫倫效率分別為 1. 93%禾卩1. 85%。 本實施例進一步測試MFC對銅的去除效率和遷移規律，每隔24h分別取實施例1 和2的陽極溶液和陰極溶液用原子吸收分光光度法測定溶液裡銅離子濃度，結果如圖5所 示。在實施例1中，運行初期其陽極溶液裡的銅離子濃度持續上升最高達10. 28mg/L，對 陽極微生物產生較大的抑制作用；電池進入穩定放電時期以後可能由於膜兩面電勢差的作 用，阻止陰極溶液裡銅離子+進一步向陽極室13滲透，已滲透到陽極室13的銅離子在陽極 室13裡較高的pH環境下生成Cu(0H)2沉澱，從而使陽極溶液裡的銅離子濃度逐漸下降至lmg/L以下。在實施例2中，陽極溶液裡的銅離子濃度也經歷了類似的變化，但其運行初期 銅離子濃度最高值僅為5. 22mg/L，並且在較短的時間內降低到lmg/L以下，所以並沒有對 陽極微生物造成明顯的抑制作用。在實施例2中，陰極溶液裡的銅離子有明顯的減少趨勢， 360h後其濃度降低至5437. 25mg. L，銅離子的去除率達18. 59% ;而實施例1的陰極溶液裡 銅離子濃度雖然也有較明顯的降低但中途出現反彈，360h後銅離子的去除率僅8. 58 % 。
另外，在實施例1和2運行一段時間後其質子交換膜上均沉積了一層較厚的藍色 物質，可見MFC溶液裡減少的銅離子並沒有全部遷移到陰電極上發上還原反應。因此，不 僅銅離子溶液中的銅離子還原成銅單質並沉積在所述陰電極131上，同時還在所述陰電極 131和/或所述質子交換膜16上形成銅的沉澱化合物，因而可分別收集沉積在陰電極131 上的銅單質和銅的沉澱化合物。銅的沉澱化合物包括Cu(0H)2、Cu4(0H)6S04及Cu20。因此， 在實際應用中，可以在MFCs運行後拆除反應器12，取出陽極141、陰電極131和質子交換膜 16，收集沉積在陰電極131上的銅單質和銅的沉澱化合物。為測試這些物質的具體含量，在 實施例1和2運行後，用純淨水衝洗陽極141、陰電極131和質子交換膜16，衝洗乾淨後放 入100ml燒杯中以lmol/L的稀硝酸浸泡，測定硝酸浸泡液的銅離子濃度，從而求得各自的 銅元素含量如表1所示。結果顯示陰極溶液裡的銅離子向陰電極遷移的同時也大規模地向 質子交換膜上遷移沉積。 表l MFCs運行結束後電極和質子交換膜上銅元素含量(mg)
實施例12
陰電極275±2.75332.82±0.67
陽電極3.29±0.015.60±0.017
質子交換膜191.1±1.15450息3.61 為證明上述銅物種的存在，在實施例1和2運行結束後，刮下陰電極131表層析出 物在日本理學D/MAX 2500型X射線衍射儀上以0. 02度的步距從10度連續掃描至80度得 其XRD圖譜，如圖6所示，圖中最底下的線條為四種匹配物質的XRD標準圖譜。觀察實施例 1中的陰電極131析出物的衍射譜線在2 e =13.9° 、16.5° 、22.8°和35.6°處均出現尖 銳衍射峰，經計算機檢索與標準卡中PDF 01-085-1316的Cu4(0H)6S04 —致，可確定存在大 量的Cu4(0H)eS04 ;譜線在2 9 = 43.9° 、50.4°和74. 1°處出現特徵峰，經計算機檢索與標 準卡中PDF01-071-4610的Cu —致，證明實施例1中的陰極溶液中有部分Cu2+在陰電極上 被還原成銅單質。觀察實施例2中陰電極131析出物的衍射譜線也發現較強的Cu4(0H)6S04 的特徵峰；在2 9 = 36.4° 、43.2° 、61.4°和73.6°處出現較強的尖銳峰，經計算機檢索 與標準卡中PDF 01-078-2076的Cu20 —致，證明實施例2中陰電極析出物中含有較多Cu20 ; 在2 e = 43. 9° 50. 4°和74. 1°處也發現Cu的衍射峰。從實施例1和2中陰電極131上 各物質衍射峰的相對強度來看，實施例1中的陰電極131上生成大量的Ci^(0H)eS04和少量 的Cu單質，而實施例2中的陰電極131上有Cu4(0H)6S04也有較多的Cu20和Cu。
根據XRD譜線分析MFC陰極還原Cu(II)的產物，可大致得到如下還原過程首先 陽極微生物降解葡萄糖的過程中釋放出電子通過外電路傳遞到陰電極石墨板上；陰極溶液 中的帶正電荷的Cu2+離子通過液相傳質遷移到陰電極表面附近，帶負電荷的S042—向陰電極 遷移速度由於陰電極上負電荷的斥力作用而遠小於Cu"。在MFC陰電極上電子數量不足的 時候，陰電極表面上附近積累大量的Cu2+便水解成Cu (0H) 2並吸附到陰電極上，進而與溶液
8中的CuS04反應生成3Cu (OH) 2 *CuS04 ;陰電極上電子數量較多時其還原能力較強，陰電極表面積累的Cu2+部分水解生成的Cu (OH) 2，進而與Cu2+ —起被還原成Cu20在陰電極上析出；陰電極上電子數量充足時，陰極溶液中遷移到電極表面附近的Cu2+很快就別還原成Cu粒子吸附在電極板表面，然後從吸附態轉變成結晶態在電極板表面析出。 往乾淨MFC反應器的陽極室裡加入葡萄糖模擬廢水不接種菌種，陰極室裡加入硫酸銅溶液構建對照試驗發現，空白MFC的電極板和質子交換膜上均無沉積含銅化合物，但存在濃度差滲透至兩室溶液中銅離子濃度相等。因此可知，成功啟動的實施例1和2的MFC閉合電路可以阻止陰極溶液裡的銅離子向陽極室滲透，但遷移路徑被阻斷的銅離子會沉積在質子交換膜上以晶體的形式析出。 在上述實施例中，MFC都是直接以硫酸銅溶液為陰極溶液，以廢水為陽極底物構建雙室有膜MFC，當應用於1000 Q外電阻的條件下，持續放電400h，最高輸出電壓達488. 8mV，最大功率密度為355. 5mw/m3 ;電池表觀內阻為339 Q ，開路電壓能達到747. 7mV，庫倫效率為1. 93% 。在運行過程中，MFC陰極溶液裡的Cu2+在濃度差的壓力下會通過質子交換膜滲透到陽極室，因面，延遲加入硫酸銅溶液可以有效抑制Cu2+的滲透，使MFC運行順利。在實施例2中，MFC對0. lmol/L硫酸銅溶液中Cu2+的去除率較高，可達18. 59% ;XRD分析證明Cu(II)在陰電極表面還原過程中會形成大量的014(011)6504，還原產物包括01和0120，並分別沉積在電極和質子交換膜上。 對於除銅之外的重金屬，其汙水處理產電及還原重金屬的方法流程和上述實施例的操作和數據及結果都相類似，經過處理後，其它的重金屬也會有多種如氫氧化物沉澱、單質及其它類似產物，在此不再贅述。 由上可知，在本實施例的燃料電池系統10及其汙水處理產電及還原重金屬的方法中，陰極室14內包含重金屬離子離子溶液，並以其作為電子受體，從而在汙水處理和產電過程中不用鼓入氧氣，整個燃料電池系統可省卻傳統所需的曝氣裝置，從而，使得整個系統結構簡單，成本低，進行汙水處理和產電時，操作也較為簡便。而且，由於陰極室可以採用包含重金屬離子離子的溶液作為陰極溶液，因此上述系統和方法不但可以同時實現汙水淨化和產電，還可以將重金屬離子還原，充分利用陰極還原力，從陰極溶液中回收重金屬。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種燃料電池系統，其包括生物反應器，所述生物反應器包括陰極室和陽極室，所述陰極室和陽極室內分別設有陰電極和陽電極，所述陰極室和陽極室內分別具有微生物活性物，所述陰極室和陽極室之間通過質子交換膜相間隔，其特徵在於，所述陽極室內流通汙水並通過其內的微生物活性物對汙水進行處理，所述陰極室內包含重金屬離子溶液並在其內使重金屬離子還原，所述陽極室內產生質子和電子，所述質子通過所述質子交換膜遷移至所述陰極室，使兩極室在反應器內部電性連通，並使生物反應器處理汙水的同時產生電能。
2. 如權利要求1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陽電極包括兩片交叉連接的 石墨電極，所述陰電極包括至少一片傾斜設置的石墨電極。
3. 如權利要求1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述重金屬離子溶液包含銅離子、 鋅離子、鎳離子、鉛離子、鎘離子或鉻離子中的至少一種。
4. 如權利要求1所述的燃料電池系統，其特徵在於，所述陰極室內進一步在加入重金 屬離子溶液前添加有緩衝溶液。
5. —種汙水處理產電及還原重金屬的方法，其採用如權利要求1至4任一項所述的燃 料電池系統來進行汙水處理、產電及還原重金屬，該方法包括以下步驟將汙水導入所述陽極室內； 將重金屬離子溶液導入所述陰極室內；通過所述陽極室內的微生物活性物對流經所述陽極室的汙水進行處理，同時產生質子 和電子，所述質子通過所述質子交換膜遷移至所述陰極室；所述重金屬離子溶液在所述陰極室內接受電子被還原，所述陽極室中產生的質子通過 所述質子交換膜遷移至所述陰極室，使兩極室在反應器內部電性連通，產生電能。
6. 如權利要求5所述的汙水處理產電及還原重金屬的方法，其特徵在於，所述陰極室 內在導入重金屬離子溶液之前加入緩衝溶液，並延遲加入重金屬離子溶液。
7. 如權利要求5所述的汙水處理產電及還原重金屬的方法，其特徵在於，所述陰極室 內先加入緩衝溶液，同時進行曝氣，運行預定時間後再導入重金屬離子溶液。
8. 如權利要求5所述的汙水處理產電及還原重金屬的方法，其特徵在於，所述陰極室 內先加入緩衝溶液，在不進行曝氣的狀態下運行預定時間，再導入重金屬離子溶液。
9. 如權利要求7或8所述的汙水處理產電及還原重金屬的方法，其特徵在於，所述預定 時間為24小時至72小時。
10. 如權利要求5所述的汙水處理產電及還原重金屬的方法，其特徵在於，所述重金屬 離子溶液中的重金屬離子還原成重金屬單質並沉積在所述陰極上，同時還在所述陰極和/ 或所述質子交換膜上形成重金屬的沉澱化合物，分別收集沉積在所述陰極和/或所述質子 交換膜上的重金屬單質和重金屬的沉澱化合物。
全文摘要
本發明提供一種燃料電池系統和汙水處理產電及還原重金屬的方法，該系統包括生物反應器，生物反應器包括陰極室和陽極室，陰極室和陽極室內分別設有陰電極和陽電極，陰極室和陽極室內分別具有微生物活性物，陰極室和陽極室之間通過質子交換膜相間隔，陽極室內流通汙水並通過其內的微生物活性物對汙水進行處理，陰極室內包含重金屬離子溶液並在其內使重金屬離子還原，陽極室內產生質子和電子，質子通過質子交換膜遷移至陰極室，使兩極室在反應器內部電性連通，並使生物反應器處理汙水的同時產生電能。在該系統和方法中，通過以重金屬離子溶液作為電子受體，不用鼓入氧氣，整個系統結構簡單，成本低，操作簡便，還可以從陰極溶液中回收重金屬。
文檔編號H01M4/96GK101710625SQ20091011042
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者倪晉仁, 梁敏, 陶虎春 申請人:北京大學深圳研究生院