[发明专利]一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构

说明书

一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构,涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。本发明为了解决现有的微生物电化学系统中间隔材料成本高的问题。多孔间隔结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。本发明间隔结构用来分隔阴极室和阳极室,该结构具有渗流过水能力，维持两侧阴阳极之间的溶解氧、COD梯度和阴阳极离子的导通能力；结构相对于离子/质子交换膜可实现非常低的成本。本发明适用于生物阴极微生物电化学系统。

技术领域

本发明涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。

背景技术

微生物电化学系统是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子经过外电路与电子受体 O₂结合，质子从溶液中由阳极迁移至阴极，从而形成闭合回路，完成反应过程。生物阴极微生物电化学系统是指由微生物在阴极表面附着，从电极上获得电子并承担系统中氧还原的催化功能。典型的生物阴极微生物电化学系统如图1所示，图1中1a为阳极室，2a 为阴极室，3a为阳极，4a为阴极，5a为间隔材料层，6a为电阻。在微生物电化学系统中，污水进入厌氧的阳极室，阳极降解大部分COD(有机污染物的化学需氧量)并将阳极出水排入阴极室。阴极室则一般通过曝气的方式维持好氧的环境并进一步降低阳极室出水中的少量COD。因此阳极和阴极室中间的间隔材料在整个系统中起到分割阴阳极室、维持阳极到阴极的COD梯度(阳极高/阴极低)以及阴极到阳极的溶解氧梯度的功能(阴极高 /阳极低)。

现有的微生物电化学系统中间隔材料采用的离子或质子交换膜价格高；无膜生物阴极微生物电化学系统能够不使用离子或质子交换膜进行水处理，但是无膜生物阴极微生物电化学系统在实际应用过程中仍然存在缺陷；不适合构建较大尺寸的系统和结构复杂的问题；MBR膜材料可以替代现有的离子或质子交换膜，但是MBR膜材料成本仍然较高；

现有的微生物电化学系统系统中间隔材料多采用离子或质子交换膜。离子或质子交换膜价格昂贵，依据品质不同离子或质子交换膜每平方米价格500～10000元不等，且在污水处理工艺使用中寿命仅为1～6个月。较短的寿命和高昂的成本是微生物电化学系统实际应用中无法承受的。因此离子或质子交换膜做为间隔材料的微生物电化学系统，仍仅处于实验室水平，无法满足水处理行业的需求。离子或质子交换膜目前的价格昂贵同时，离子或质子交换膜无法满足阳极液自然渗透进入阴极室的要求，而必须通过管路绕流体系外部，增加了体系的结构冗余和构建成本。为提高微生物电化学系统的处理效率，往往需要在尽可能短的水力停留时间内处理进入阳极的COD。离子或质子交换膜能够维持阴阳极间的COD和溶解氧梯度但是并不具备将COD截留在阳极室中的能力。大量COD随着外部管路源源不断的进入阴极，造成体系性能下降，水质状况下降。