[发明专利]用于去除并回收土壤中重金属的微生物燃料电池系统

说明书

本发明涉及一种用于去除并回收土壤中重金属的微生物燃料电池的系统，该系统从左至右分布有阳极单元、阳极单元导电材料、土壤室、阴极单元导电材料、阴极单元；外接电路电阻的两端分别通过连接导线接阴极单元导电材料和阳极单元导电材料；另外分别用阳离子交换膜将阳极单元、阴极单元与目标土壤隔开。本发明利用微生物燃料电池可以去除重金属的特点，在土壤中建立微生物燃料电池，能够有效地在不破坏土壤自身结构和特性的情况下对土壤中的重金属进行去除，并且利用微生物燃料电池阴极单元的还原特性，使土壤中的重金属迁移并还原沉积在阴极导电材料上，实现重金属与土壤的完全剥离。本发明不仅拓展了微生物燃料电池在去除、降解危害物质的使用范围，而且实现重金属的还原和回收。在去除、富集土壤重金属的同时，产生电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利用。

技术领域

本发明属于能源与土壤污染处理领域，具体涉及适用于重金属污染土壤的处理并提高重金属去除能效的土壤MFC（Microbial Fuel Cell，微生物燃料电池）处理系统。

背景技术

随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。土壤是人类赖以生存的要素，也是生态环境的重要组成部分，但土壤污染问题日趋恶化，土壤中的重金属污染，如Cu，Cd，Cr等已成为全球性的研究热点。土壤是生产实物、纤维及林产品不可替代或缺乏的自然资源，又是保持地球系统生命活性，维护整个人类社会和生物圈共同繁荣的基础。由于土壤质量衰退曾给人类文明和社会发展留下惨痛的教训。因此，保护土壤，特别是保护耕地土壤数量和质量，理所当然成为一个国家的重要方针。

微生物燃料电池（MFC）是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。土壤中的微生物分布广、数量大、种类多，是微生物生活的大本营，同时市政污水、人畜粪便等都可作为MFC燃料。将MFC应用到修复重金属污染土壤，在处理土壤重金属的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决土壤环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。

土壤中重金属的形态通常有可交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化物结合态、有机结合态和残渣态等几种形态，土壤中以水溶态和可交换态的重金属较易被处理，而以有机态和残留态存在的重金属较难去除。在重金属土壤污染的处理中，离子态重金属污染物首先必须解吸以后，才能迁移，因而在土壤MFC修复重金属污染土壤时，增强重金属由吸附态向游离态的转化非常重要，可以向土壤中加入络合剂、表面活性剂等。

土壤中的污染物在电场下发生运动，其主要运动机制有电迁移、电渗析、电泳和自由扩散等，在这四种机制中，电迁移和电渗析直接影响着电动修复的效果。在土壤MFC产电的过程中，阳极由于微生物对有机物质的降解，产生大量的H⁺，由于质子的迁移速率比质子的产生速率及在阴极的消耗速率低，使得阴阳极的pH发生变化。

本发明利用在土壤中构建MFC，将阳极、阴极和待处理土壤分为三个独立的部分，使得三部分电化学反应更稳定、独立地进行。将接种厌氧污泥的导电材料作为MFC的阳极，将不锈钢材料作为MFC的空气阴极，构建土壤MFC。通过外电路的连接，并通过污泥中种类及数量丰富的产电微生物促进有机物质的降解，促进土壤重金属向阴极迁移、富集，同时收集产生的电能。土壤MFC去除重金属方法，作为一种复合功能的修复方法，不仅能够多途径地去除重金属，而且能够回收被还原的金属单质，产生电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利用，其研究具有非常显著的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于去除并回收土壤中重金属的微生物燃料电池的系统，用于去除、富集土壤重金属的同时，产生电能，实现能源的回收利用和资源的最大化利用。