[发明专利]一种植物‑微生物燃料电池装置及运行方法

说明书

技术领域

本发明属于土壤污染修复领域，具体涉及一种实现大田土壤Cr污染治理同步产电的装置及运行方法。

背景技术

我国已有2000万公顷耕地面积受重金属污染，其中以大田Cr污染问题尤为严重，据2014年《全国土壤污染状况调查公报》指出全国Cr污染物点位超标率达到1.1％，已经成为近年来最为引人关注的环境热点问题。

Cr是人体必需的微量元素，但过量Cr对人体危害严重。尤其是Cr⁶⁺。近年来随着工业化的发展，大田Cr⁶⁺超标污染事件频繁发生，严重威胁人体健康。如西安南郊Cr⁶⁺污染大田事件，致使农作物叶片发黄蜷缩，根须腐朽脱落，造成当地村民脱发牙疼，牲畜脱毛等症状。因此，对大田Cr⁶⁺污染修复治理已迫在眉睫。

加之在经济快速发展和能源需求量持续增长的现在，我国能源利用却存在着技术落后，利用率低下，结构不合理等问题。我国正面临着能源枯竭与污染加重的双重“阻击”。如何找到一种即能高效产能又可适用于大田Cr⁶⁺污染治理的方法是目前国内外研究热门。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物氧化有机物，从而将化学能直接转化成电能的装置，在降解污染的同时，还可以解决国际上研究热点的能源问题。然而目前的发明装置多为阴阳分室设计，阳极室与阴极室由膜分开，构型大小有限，这种双室设计只适用于实验室实验使用，不适用于大规模土壤工程修复。如公开号CN202339955U公布的一种新型的植物-微生物燃料电池装置，发明人发明的装置成双层圆柱体状，设有阳极室和阴极室，所述的生物阴极电极与阳极室，以及阳极室与空气阴极电极之间由质子交换膜分开，发明人的装置结构不适用于污染面积广的大田土壤的修复治理。

通过总结不难发现大田植物-微生物燃料电池(P-MFC)研究中多使用碳材料作为电极。如公开号CN101645515公布的一种微生物燃料电池及其制备方法和应用，发明人采用表面电沉积有聚吡咯和蒽醌-2，6-二磺酸钠的碳毡做阳极，阴极则由碳纳米管、聚四氟乙烯和伽马-碱性氧化铁组成，其存在能耗高、制作成本高、工艺复杂等问题。

本发明装置电极原料为天然鳞片石墨，其在自然界中资源分布广泛且成本便宜，采用本发明装置运行简单、产能高效，且适用于大面积污染土壤的治理。

在实际应用过程中发现，如能有效提高电极的电化学活性可更加有效的提高其降解污染物及产能效果。本发明装置的核心——氮掺杂石墨烯电极因其具有高比表面积和高密度局域电荷而能有效提高电极的电化学活性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足，提供一种设计合理、结构简单、产能高效，并能运用到大田土壤污染治理的植物-微生物燃料电池装置及使用方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种大田植物-微生物燃料电池装置，主要部件包括：植物-微生物燃料电池箱体、大田植物(水稻)、一对平行放置氮掺杂石墨烯修饰的生物电极、布水板、污泥床(大田底泥基质)、金属导线、水泵等。

植物-微生物燃料电池箱体自下而上分别为：布水板、污泥床(布水板上部及污泥床之间设置可以调节电极位置的电极固定装置)、一对平行放置的生物电极(生物电极通过导线封闭通道内的金属导线与外部电化学工作站(Electrochemical workstation，EW)连接形成回路)，一个进水泵(设置在箱体外侧且与装置底部进水管道相连，以保持水土饱水量设置进水流量)。

生物阳极包括：若干个阳极电极单元组合而成，所述的单个单元阳极电极为氮掺杂石墨烯修饰的泡沫镍电极，间隔一定距离放置，再通过耐腐蚀金属导线材料首尾连接，形成串联生物阳极，生物阴极为一块氮掺杂石墨烯修饰的泡沫镍电极，固定在土体表层与阳极部分平行放置，所述金属导线皆为导电钛线。

植物-微生物燃料电池装置箱体通过螺栓固定DC探头、ORP计探头、pH探头，通过导线分别与数据采集器(DC)、氧化还原电位检测仪(ORP)、pH检测仪连接，用于实时监测箱体内部电流电压变化、ORP、pH指标。

装置的电极间距、尺寸调节通过改变可拆卸电极固定装置规格及采用相应尺寸的生物电极实现。通过在箱体外侧设置不同高度的安装卡扣，调节电极面积以及高度。