[发明专利]一种采用光催化辅助强化生物阳极降解抗生素的装置

说明书

本发明提供了一种用于处理抗生素的光电催化与微生物燃料电池耦合系统，属于难降解污染物处理与能源回收及利用技术领域。将微生物燃料电池（MFC）的产电生物阳极与光电催化阳极耦合，构成耦合产电催化降解抗生素系统，该系统的光催化阳极是镍网负载了水热型TiOsubgt;2/subgt;催化剂的网状结构，生物阳极是负载产电微生物的碳刷，阴极是普通碳刷。阴阳极中间由离子交换膜隔开。该系统对阳极降解难抗生素的效果明显优于传统微生物燃料电池或光电催化系统，无光照条件下也进行的是传统微生物燃料电池的降解反应。本发明的效果和优势是将MFC和光催化两个系统耦合后可以解决现有MFC的降解效率低、产电少，使抗生素降解效率更高更彻底的问题。

技术领域

本发明属于污染物处理与能源利用领域，涉及将水热型TiO₂催化材料电极与微生物电极耦合系统的阳极处理抗生素，并直接将抗生素的化学能转化为电能。

背景技术

微生物燃料电池是一类特殊的生物质燃料电池，它可以将微生物的代谢或酶催化的有机质基底的能量通过电化学技术直接转化为电能。微生物燃料电池是很有前景的抗生素处理工艺，可以同时解决环境问题和能源问题，但实际应用中仍存在许多技术和成本问题需要解决，例如产电少、不能充分利用难降解污染物中的能源等等，因此，关于微生物燃料电池和其他设备或技术的结合的研究越来越多。光电催化即为光催化和电催化系统的结合，其可利用光能降解污染物，还可以同时产电的优点引起了众多研究兴趣。但就目前来看，对微生物燃料电池和光电催化的耦合系统的研究还不是很多，因此将二者结合更加具有挑战性。由于TiO₂化学稳定性好、成本低、催化效率高，因此，是光电催化中使用最多最受欢迎的半导体之一。目前有很多研究通过筛选更合适的菌种或者改变微生物燃料电池反应装置等方法致力于提高微生物燃料电池的处理污染物的性能和产电性能，也有很多研究通过制备新型催化剂电极等方法致力于提高光电催化的产电性能，但将两者耦合的研究还非常少。

发明内容

本发明将光电催化和微生物燃料电池两个系统耦合，旨在解决现有微生物燃料电池的产电少、不能充分利用抗生素污染物中的能源的问题，也解决了光催化需要光照才能降解污染物的技术局限性。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种采用光催化辅助强化生物阳极降解抗生素的装置，包括相互连通并构成反应器主体的阳极室和阴极室；阳极室内设置有光催化TiO₂电极、参比电极、附着微生物的第一碳刷，阴极室内设有第二碳刷；光催化TiO₂电极、参比电极、第一碳刷均由阳极室的顶部伸出，伸出部分与阳极室顶部之间保持密封；第二碳刷由阴极室的顶部伸出，伸出部分与阴极室顶部之间保持密封；阳极室顶部分别设第一进水口、第一出水或采样口，阴极室顶部分别设第二进水口和第二出水或采样口；阳极室和阴极室的连通处用质子交换膜隔开；阳极室的侧壁上水平向外延伸形成管状延伸段，延伸段的末端安装有石英玻璃层，阳极室外配有位于石英玻璃层旁的紫外光灯，所述光催化TiO₂电极、石英玻璃层和第一碳刷的位置关系能保证石英玻璃层让光催化TiO₂电极接收紫外线光并遮挡紫外光，防止照射到第一碳刷上杀死微生物。

本发明所述装置在使用时，光催化TiO₂电极、第一碳刷与第二碳刷通过导线相连接。

从石英玻璃窗口进入的紫外光直接照射在TiO₂光催化材料上，TiO₂光催化材料较好的遮挡住碳刷（碳纤维刷），能有效防止紫外光的照射下致使碳刷上微生物的死亡。这也是此装置为什么能将光催化和微生物燃料电池直接耦合的原因。阳极液为某种广谱类抗生素溶液。

阴极室里的第二碳刷用来传导电子。阴极室内物质为铁氰化钾溶液，用于被阳极室传导过来的电子还原。

本发明所述装置既保持了微生物燃料电池阳极的微生物作用，通过微生物的呼吸作用同化作用激发产生电子，电子经外电路传导至阴极；同时光电催化阳极材料在光激发下形成电子与空穴；电子可活化氧气产生自由基，自由基与空穴均可氧化降解污染物。