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
本發明公開了一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,涉及化工廢水處理的技術領域，包括如下步驟：對釩基儲能介質部分進行準備、對微生物燃料電池部分進行準備、耦合系統的組裝、實驗運行、驗參數調節和優化及數據分析和結果評估，本發明中釩基儲能介質-微生物電池耦合系統結構設計可以實現廢水凈化和CO2還原兩個功能，由于釩基儲能介質的本征安全性和長壽命，可存儲不穩定的低效的化學能，解決了微生物燃料電池的低效性與不穩定性問題，且釩基儲能介質先作為電解池陰極，待電化學反應結束再作為原電池正極直接循環使用，節約了電極投入成本。該耦合系統利用釩基儲能介質代替析氧(OER)反應，大大提高了能量效率。
權利要求書
1.一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,其特征在于：包括如下步驟：S1、對釩基儲能介質部分進行相應的準備工作；S1.1、準備釩離子溶液：準備適量含有不同氧化態的V2+及V3+的釩離子溶液；S1.2、準備陽極和陰極：使用導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，陰極是負載高效二氧化碳還原催化劑，發生CO2還原反應生成甲酸，陽極是釩基可逆氧化還原電子對，發生釩儲能介質的氧化反應；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行相應的準備工作；S2.1、制備陽極和陰極：使用導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,陰極是釩基可逆氧化還原電子對；S2.2、準備微生物懸浮液：從適當的環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發生氧化反應生成CO2，陰極發生釩儲能介質的還原反應；S3、耦合系統的組裝：將釩基儲能介質和微生物燃料電池放置在同一個系統中，使它們能夠共享同一個電解槽，確保兩個系統之間有適當的鏈接，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，以供微生物進行代謝反應，并將化學能轉化為電能，同時將釩基儲能介質中的釩離子溶液進行循環，在陽極和陰極之間儲存電能，監測儲能介質系統和微生物燃料電池的電化學指標，評估儲能效率和穩定性；S5、驗參數調節和優化：調整微生物燃料電池的溫度、PH值及廢水負荷的操作條件，以優化電池性能，并調節釩基儲能介質中的釩離子濃度、循環速率和循環方式，以提高儲能效率和穩定性；S6、數據分析和結果評估：對微生物燃料電池和釩基儲能介質的實驗數據進行分析，包括電流、電壓、釩離子濃度參數的變化趨勢和關聯性，評估VEMS-MFC系統的儲能性能、電化學穩定性以及與傳統微生物燃料電池相比的優勢和限制。
2.根據權利要求1所述的一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,其特征在于：步驟S1.2中陰極的材質為銅基或錫基納米材料。
3.根據權利要求1所述的一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,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.根據權利要求1所述的一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,其特征在于：步驟S2.1中陽極上涂覆的電子傳遞介質為碳氈。
5.根據權利要求1所述的一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,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行采集。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法，以克服現有技術中的上述缺陷。
一種基于釩基儲能介質-微生物燃料電池耦合的儲能系統的廢水處理方法,包括如下步驟：
S1、對釩基儲能介質部分進行相應的準備工作；
S1.1、準備釩離子溶液：準備適量含有不同氧化態的V2+及V3+的釩離子溶液；
S1.2、準備陽極和陰極：使用導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，陰極是負載高效二氧化碳還原催化劑，發生CO2還原反應生成甲酸，陽極是釩基可逆氧化還原電子對，發生釩儲能介質的氧化反應；
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行相應的準備工作；
S2.1、制備陽極和陰極：使用導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,陰極是釩基可逆氧化還原電子對；
S2.2、準備微生物懸浮液：從適當的環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發生氧化反應生成CO2，陰極發生釩儲能介質的還原反應；
S3、耦合系統的組裝：將釩基儲能介質和微生物燃料電池放置在同一個系統中，使它們能夠共享同一個電解槽，確保兩個系統之間有適當的鏈接，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，以供微生物進行代謝反應，并將化學能轉化為電能，同時將釩基儲能介質中的釩離子溶液進行循環，在陽極和陰極之間儲存電能，監測儲能介質系統和微生物燃料電池的電化學指標，評估儲能效率和穩定性；
S5、驗參數調節和優化：調整微生物燃料電池的溫度、PH值及廢水負荷的操作條件，以優化電池性能，并調節釩基儲能介質中的釩離子濃度、循環速率和循環方式，以提高儲能效率和穩定性；
S6、數據分析和結果評估：對微生物燃料電池和釩基儲能介質的實驗數據進行分析，包括電流、電壓、釩離子濃度參數的變化趨勢和關聯性，評估VEMS-MFC系統的儲能性能、電化學穩定性以及與傳統微生物燃料電池相比的優勢和限制。
優選地，步驟S1.2中陰極的材質為銅基或錫基納米材料。
優選地，步驟S2.1中的陽極和陰極材料為碳紙或碳布。
優選地，步驟S2.1中陽極上涂覆的電子傳遞介質為碳氈。
優選地，步驟S2.2中微生物懸浮液從厭氧污泥或土壤樣品中進行采集。
本發明具有如下優點：
1、釩基儲能介質-微生物電池耦合系統結構設計可以實現廢水凈化和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，產生的CO2可以收集并在電解池陰極還原，同時電解池陽極發生釩基儲能材料氧化反應。
2、由于釩基儲能介質的本征安全性和長壽命，可存儲不穩定的低效的化學能，解決了微生物燃料電池的低效性與不穩定性問題，且釩基儲能介質先作為電解池陰極，待電化學反應結束再作為原電池正極直接循環使用，節約了電極投入成本。
3、該耦合系統利用釩基儲能介質(氧化還原電對/SSE電極)代替析氧(OER)反應，大大提高了能量效率。
（發明人：龐歡;夏崢）
