公布日：2023.11.07
申請日：2023.08.10
分類號：C02F3/00(2023.01)I;C02F3/34(2023.01)I;H01M8/16(2006.01)I;C02F103/34(2006.01)N
摘要
本發(fā)明公開了一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,涉及化工廢水處理的技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：對釩基儲能介質(zhì)部分進(jìn)行準(zhǔn)備、對微生物燃料電池部分進(jìn)行準(zhǔn)備、耦合系統(tǒng)的組裝、實驗運行、驗參數(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化及數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評估，本發(fā)明中釩基儲能介質(zhì)-微生物電池耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)廢水凈化和CO2還原兩個功能，由于釩基儲能介質(zhì)的本征安全性和長壽命，可存儲不穩(wěn)定的低效的化學(xué)能，解決了微生物燃料電池的低效性與不穩(wěn)定性問題，且釩基儲能介質(zhì)先作為電解池陰極，待電化學(xué)反應(yīng)結(jié)束再作為原電池正極直接循環(huán)使用，節(jié)約了電極投入成本。該耦合系統(tǒng)利用釩基儲能介質(zhì)代替析氧(OER)反應(yīng)，大大提高了能量效率。
權(quán)利要求書
1.一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,其特征在于：包括如下步驟：S1、對釩基儲能介質(zhì)部分進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作；S1.1、準(zhǔn)備釩離子溶液：準(zhǔn)備適量含有不同氧化態(tài)的V2+及V3+的釩離子溶液；S1.2、準(zhǔn)備陽極和陰極：使用導(dǎo)電性良好的材料制備陽極和陰極，并將它們分別浸泡在陽極和陰極電解液中，通過離子交換膜將陰極和陽極隔開，陰極是負(fù)載高效二氧化碳還原催化劑，發(fā)生CO2還原反應(yīng)生成甲酸，陽極是釩基可逆氧化還原電子對，發(fā)生釩儲能介質(zhì)的氧化反應(yīng)；S1.3、連接電路：將陽極和陰極通過一個外部電路連接起來，形成一個閉合電路；S2、對微生物燃料電池部分進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作；S2.1、制備陽極和陰極：使用導(dǎo)電性良好的材料制備陽極和陰極，并將陽極表面涂覆上電子傳遞介質(zhì),陰極是釩基可逆氧化還原電子對；S2.2、準(zhǔn)備微生物懸浮液：從適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中采集微生物懸浮液；S2.3、組裝微生物燃料電池：將陽極和陰極安裝在一個密封的電解槽中，通過離子交換膜將陰極和陽極隔開，并連接一個外部電路，陽極廢水中的有機污染物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，陰極發(fā)生釩儲能介質(zhì)的還原反應(yīng)；S3、耦合系統(tǒng)的組裝：將釩基儲能介質(zhì)和微生物燃料電池放置在同一個系統(tǒng)中，使它們能夠共享同一個電解槽，確保兩個系統(tǒng)之間有適當(dāng)?shù)逆溄�，保障釩基可逆氧化還原電子對可以在微生物燃料電池和釩基儲能介質(zhì)切換，在以便電子和離子能夠在它們之間傳輸；S4、實驗運行：通過電荷計算，向微生物燃料電池中注入有機廢水，以供微生物進(jìn)行代謝反應(yīng)，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時將釩基儲能介質(zhì)中的釩離子溶液進(jìn)行循環(huán)，在陽極和陰極之間儲存電能，監(jiān)測儲能介質(zhì)系統(tǒng)和微生物燃料電池的電化學(xué)指標(biāo)，評估儲能效率和穩(wěn)定性；S5、驗參數(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化：調(diào)整微生物燃料電池的溫度、PH值及廢水負(fù)荷的操作條件，以優(yōu)化電池性能，并調(diào)節(jié)釩基儲能介質(zhì)中的釩離子濃度、循環(huán)速率和循環(huán)方式，以提高儲能效率和穩(wěn)定性；S6、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評估：對微生物燃料電池和釩基儲能介質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括電流、電壓、釩離子濃度參數(shù)的變化趨勢和關(guān)聯(lián)性，評估VEMS-MFC系統(tǒng)的儲能性能、電化學(xué)穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)微生物燃料電池相比的優(yōu)勢和限制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,其特征在于：步驟S1.2中陰極的材質(zhì)為銅基或錫基納米材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,其特征在于：步驟S2.1中的陽極和陰極材料為碳紙或碳布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,其特征在于：步驟S2.1中陽極上涂覆的電子傳遞介質(zhì)為碳?xì)?/span>。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,其特征在于：步驟S2.2中微生物懸浮液從厭氧污泥或土壤樣品中進(jìn)行采集。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。
一種基于釩基儲能介質(zhì)-微生物燃料電池耦合的儲能系統(tǒng)的廢水處理方法,包括如下步驟：
S1、對釩基儲能介質(zhì)部分進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作；
S1.1、準(zhǔn)備釩離子溶液：準(zhǔn)備適量含有不同氧化態(tài)的V2+及V3+的釩離子溶液；
S1.2、準(zhǔn)備陽極和陰極：使用導(dǎo)電性良好的材料制備陽極和陰極，并將它們分別浸泡在陽極和陰極電解液中，通過離子交換膜將陰極和陽極隔開，陰極是負(fù)載高效二氧化碳還原催化劑，發(fā)生CO2還原反應(yīng)生成甲酸，陽極是釩基可逆氧化還原電子對，發(fā)生釩儲能介質(zhì)的氧化反應(yīng)；
S1.3、連接電路：將陽極和陰極通過一個外部電路連接起來，形成一個閉合電路；
S2、對微生物燃料電池部分進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作；
S2.1、制備陽極和陰極：使用導(dǎo)電性良好的材料制備陽極和陰極，并將陽極表面涂覆上電子傳遞介質(zhì),陰極是釩基可逆氧化還原電子對；
S2.2、準(zhǔn)備微生物懸浮液：從適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中采集微生物懸浮液；
S2.3、組裝微生物燃料電池：將陽極和陰極安裝在一個密封的電解槽中，通過離子交換膜將陰極和陽極隔開，并連接一個外部電路，陽極廢水中的有機污染物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，陰極發(fā)生釩儲能介質(zhì)的還原反應(yīng)；
S3、耦合系統(tǒng)的組裝：將釩基儲能介質(zhì)和微生物燃料電池放置在同一個系統(tǒng)中，使它們能夠共享同一個電解槽，確保兩個系統(tǒng)之間有適當(dāng)?shù)逆溄樱Ｕ镶C基可逆氧化還原電子對可以在微生物燃料電池和釩基儲能介質(zhì)切換，在以便電子和離子能夠在它們之間傳輸；
S4、實驗運行：通過電荷計算，向微生物燃料電池中注入有機廢水，以供微生物進(jìn)行代謝反應(yīng)，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時將釩基儲能介質(zhì)中的釩離子溶液進(jìn)行循環(huán)，在陽極和陰極之間儲存電能，監(jiān)測儲能介質(zhì)系統(tǒng)和微生物燃料電池的電化學(xué)指標(biāo)，評估儲能效率和穩(wěn)定性；
S5、驗參數(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化：調(diào)整微生物燃料電池的溫度、PH值及廢水負(fù)荷的操作條件，以優(yōu)化電池性能，并調(diào)節(jié)釩基儲能介質(zhì)中的釩離子濃度、循環(huán)速率和循環(huán)方式，以提高儲能效率和穩(wěn)定性；
S6、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評估：對微生物燃料電池和釩基儲能介質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括電流、電壓、釩離子濃度參數(shù)的變化趨勢和關(guān)聯(lián)性，評估VEMS-MFC系統(tǒng)的儲能性能、電化學(xué)穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)微生物燃料電池相比的優(yōu)勢和限制。
優(yōu)選地，步驟S1.2中陰極的材質(zhì)為銅基或錫基納米材料。
優(yōu)選地，步驟S2.1中的陽極和陰極材料為碳紙或碳布。
優(yōu)選地，步驟S2.1中陽極上涂覆的電子傳遞介質(zhì)為碳?xì)帧?/span>
優(yōu)選地，步驟S2.2中微生物懸浮液從厭氧污泥或土壤樣品中進(jìn)行采集。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
1、釩基儲能介質(zhì)-微生物電池耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)廢水凈化和CO2還原兩個功能，通過原電池的微生物電極將廢水中可溶性有機物氧化為CO2凈化，產(chǎn)生的CO2可以收集并在電解池陰極還原，同時電解池陽極發(fā)生釩基儲能材料氧化反應(yīng)。
2、由于釩基儲能介質(zhì)的本征安全性和長壽命，可存儲不穩(wěn)定的低效的化學(xué)能，解決了微生物燃料電池的低效性與不穩(wěn)定性問題，且釩基儲能介質(zhì)先作為電解池陰極，待電化學(xué)反應(yīng)結(jié)束再作為原電池正極直接循環(huán)使用，節(jié)約了電極投入成本。
3、該耦合系統(tǒng)利用釩基儲能介質(zhì)(氧化還原電對/SSE電極)代替析氧(OER)反應(yīng)，大大提高了能量效率。
（發(fā)明人：龐歡;夏崢）
