[发明专利]一种活性炭复合阴极的制备及耦合微生物燃料电池系统用于工业有机酸废水处理

说明书

一种活性炭复合阴极的制备及耦合微生物燃料电池系统用于工业有机酸废水处理，以活性碳颗粒为基底，通过原位生长和溶胶‑凝胶法负载上MnO₂/TiO₂/g‑C₃N₄。利用MnO₂/TiO₂/g‑C₃N₄@GAC阴极耦合微生物燃料电池，实现对高浓度工业有机酸废水的高效处理。本发明的电极本身导电性极好，具有较高的电化学性能和氧还原能力，抗污染性能强，长期运行可保持较高的活性和稳定性。将其作为MFC阴极处理实际工业有机酸废水，可以提高体系产电能力，促进ORR反应和污染物的去除，提高出水水质，达到长期连续稳定运行。该系统操作简便，处理效率高，容积负荷大，能够实现装置出水水质的长期稳定，有利于开展放大实验。

技术领域

本发明属于废水处理和能源回收技术领域，涉及一种高效MnO₂/TiO₂/g-C₃N₄@GAC电极的制备及阴极耦合微生物燃料电池系统，在处理高浓度工业有机酸废水时，效果显著。具体研发内容是以活性碳颗粒为基底，通过原位生长和溶胶-凝胶法负载上MnO₂/TiO₂/g-C₃N₄，制作出一种复合电极。该种电极导电性及电催化性能好，孔隙率高，比表面积大，有助于阴极兼性厌氧菌的附着和生长。将其应用到微生物燃料电池(MFC)体系中做阴极，处理高浓度工业有机酸废水的同时实现产能，体系运行成本较低，出水水质好，可承载负荷量大，具有一定的工程优势。

背景技术

己二酸生产过程中，产生的高浓度工业有机酸废水，含有高浓度的氮和重金属Cu污染，COD高，酸性强，pH约为1，对环境影响严重，是较难处理的工业废水之一。

微生物燃料电池将污水处理和生物产电结合，利用产电微生物氧化有机污染物的同时产生电子，将电子源源不断地输送出来形成了电能，实现了能源的回收利用，是一种典型的生物电化学系统。与传统的污水生物处理技术和传统燃料电池相比，微生物燃料电池不仅能降解水体中的有机物和底泥，还能获得电能，具有操作简便、运行要求低、条件温和、可循环再利用、环境清洁友好等优点，具有广泛的研发潜力。但当前仍存在电池内阻大、输出功率小、库伦效率低及出水水质较差等问题。

此外，微生物燃料电池电极成本高也是限制MFC进一步发展和应用的重要因素。其中阴极电极材料对于MFC的处理效果和产电性能也有重要影响，其材质和结构既能影响电极的导电性，从而影响系统的输出功率，还会影响阴极氧还原反应，从而影响污染物的去除效果。一般具有高导电性且疏松多孔的碳材料，适用于作MFC的阴极。但直接使用，催化性能差，效果不佳。因此，可以采用高活性的催化剂(如半导体材料等)对其进行修饰，以提高材料的催化性能，加速氧还原反应，提高污染物去除效率。

本发明是通过原位生长和溶胶-凝胶法以及隔氧氮气高温煅烧技术在活性炭颗粒上依次负载MnO₂/TiO₂/g-C₃N₄，提高电极催化性能。本专利研发的复合电极，导电性和氧还原能力强，能显著提高微生物燃料电池的电池电势，且具有良好的抗污染性能；高的孔隙率和比表面积有助于污染物的截留和降解。MnO₂/TiO₂/g-C₃N₄@GAC阴极耦合微生物燃料电池处理实际有机酸废水出水水质好，可长期稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种MnO₂/TiO₂/g-C₃N₄@GAC复合阴极耦合微生物燃料电池及高浓度工业有机酸废水处理应用，电极良好的导电性和电催化性，促进阴极氧还原反应，提高产电，解决了传统微生物燃料电池出水水质差，电能输出小及高浓度工业有机酸废水处理效率低，工艺复杂等问题。

本发明的技术方案：