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生物阴极微生物脱盐燃料电池驱动电容法深度除盐性能研究

张慧超  
【摘要】:自从1980年之后,全球范围内的海水淡化装机容量大幅度上升,海水淡化规模以每年最高30%的速度在增长。在使用海水淡化增加饮用水的同时,能源的消耗巨大,在最近建设的反渗透海水淡化厂中,能量的消耗大约为3到4 k Wh/m3,能源的短缺及过高的运行成本,限制了其广泛应用。特别是对于远离陆地的海岛及长期海上作业的轮船等特殊环境,由于没有足够的电能而无法从海水中获得淡水。2009年,微生物脱盐燃料电池(Microbial desalination cell,MDC)的提出使得在不消耗电能的情况下实现海水淡化成为可能。经过5年多的研究,MDC技术虽然在脱盐效率上有所提高,但是由于MDC阴极中仍使用难以循环利用的铁氰化钾溶液或昂贵的铂(Pt)做催化剂的空气阴极,限制了MDC的扩大化、降低了实际应用的可能性。在MDC脱盐过程中,随着脱盐室盐浓度的降低,其系统的内阻导致脱盐效率的显著下降,这方面的特性也使得MDC不适用于低浓度含盐水,难以将海水脱盐到可饮用的标准。针对以上问题,本研究在开发廉价可持续性催化剂、MDC与其他技术耦合深度脱盐等方面做了系统性研究。提出了以同步脱盐、产电为目的的生物阴极MDC;并将生物阴极MDC产生的电能用于驱动膜电容脱盐技术(Membrane capacitive deionization,MCDI)进行深度脱盐。为MDC低成本应用于海水除盐获得淡水方面提供新思路。开发了以微生物作为阴极催化剂的空气阴极MDC。与不添加微生物作为催化剂的曝气阴极相比,MDC阴极电极表面生长的生物膜能够降低阴极的内阻、提高MDC的输出电压和输出功率,从而提高了MDC的脱盐速率。运行稳定后在1000Ω外电阻条件下的最高电压可达570 m V,对于初始浓度为35 g/L的模拟海水,经过480 h的运行后,盐浓度最低可以降到1 g/L以下,去除率可达90%以上。但随着盐水浓度的降低,脱盐速率大幅度下降,对于1 g/L以下的盐溶液,脱盐速率只有35 g/L时的16%。MDC脱盐室内盐溶液浓度的降低会导致电池内阻的急剧上升,其脱盐速率也大幅度降低。当盐水浓度为1 g/L时,运行48 h后,内阻由217Ω上升为793Ω。为了实现能量自给的深度脱盐,提出用MDC驱动MCDI深度脱盐的连用技术。当处理1 g/L的低浓度含盐水时,MCDI的处理效果要远高于传统的电容脱盐技术(CDI)的处理效果。与0.8 V的直流稳压电源相比,以MDC作为MCDI供电可使MCDI具有更高的电吸附容量,当两个MDC并联为MCDI供电时,MCDI的吸附容量为直流稳压电源供电的1.6倍。MDC与MCDI系统耦合后不仅实现对MCDI脱盐的连续运行,并且MDC自身在供电的同时,相比于固定外阻200Ω的条件下,脱盐室的电导率下降速度提高了36.2%。经过MDC与MCDI联用处理18个周期后,处理水可以达到饮用标准。经过5500h的运行,生物阴极MDC的功率密度、库伦效率及脱盐速率分别下降71%,44%和27%,主要是由于阴离子交换膜和阳离子交换膜上的生物沉积造成的。膜污染不仅会引起膜通透性的下降,还会升高电池的内阻。对系统内微生物相的分析表明,MDC阳极微生物多样性要低于报道的MFC阳极微生物组成。在MDC中Proteobacteria的含量要高于MFC阳极中大约30%。在MDC系统中,阴极生物膜中的Planctomycetes含量要远高于阳离子交换膜(CEM),表明生物阴极的好氧反应有助于Planctomycetes累积。经过长期运行后,发现脱盐室内会出现微生物污染。脱盐室内微生物污染的主要原因是阳极内的有机物成分通过AEM进入到脱盐室内污染了脱盐水。为解决该问题,设计了带缓冲室的四室MDC,分别增加了质子交换膜(PMDC)和增设阳离子交换膜(CMDC)。与三室MDC相比,PMDC和CMDC在外电阻1000Ω情况下两端电压分别下降33.8%和37.4%。对于初始浓度为35 g/L的盐溶液,在前240 h内,PMDC的脱盐性能优于三室MDC。并且PMDC能够有效地防止乙酸根和磷酸根进入到盐水中,PMDC中乙酸根和总磷的转移量分别为105.7±26.3 mg/L和28.8±9.8 mg/L,只是MDC中的15.8%和35.6%。采用生物阴极MDC和膜电容脱盐法技术,能够将模拟海水(Na Cl浓度35 g/L)的含盐量降到饮用水标准(氯化物250 mg/L)。但由于其中有机物的渗透问题,仍需要对脱盐后的水进行后续处理。虽然有诸多问题,但MDC-MCDI技术使得远离陆地的海岛及远航船只在不消耗电能的情况下获得淡水成为可能。


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