一種污泥燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種污泥燃料電池，其特征在于，包括陽極側(cè)組成物質(zhì)、陽極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)。其中質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陽極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，兩側(cè)物質(zhì)被質(zhì)子交換膜隔離開，陽極側(cè)組成物質(zhì)通過陽極循環(huán)系統(tǒng)將攜帶的電子傳遞到外部電路中，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜與通過陰極循環(huán)系統(tǒng)泵入陰極側(cè)組成物質(zhì)、外電路電子結(jié)合生成水。本發(fā)明提供的污泥燃料電池，污泥首先被雜多酸?A(POM?A)溶液氧化，被還原的POM將所獲得的電子輸送至燃料電池的陽極。這些電子通過外部電路，最終被陰極的雜多酸?B(POM?B)所捕獲，可以將污泥中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不造成任何環(huán)境污染問題。
【專利說明】
一種污泥燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于直接液體催化燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種污泥燃料電池，在低溫下直接將污泥轉(zhuǎn)化為電能，燃料不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。
【背景技術(shù)】
[0002]污泥(sludge)是污水處理過程所產(chǎn)生的介于液體和固體之間的粘稠物，由有機(jī)殘?jiān)?、?xì)菌菌體、無機(jī)雜質(zhì)和膠體等組成的極其復(fù)雜非均質(zhì)體。隨著城市化進(jìn)程的加快和水處理程度的加深，城市污水污泥的產(chǎn)量也急劇增加，預(yù)計(jì)到2020年，污泥產(chǎn)量將突破6000萬噸。此外，污泥中還含有Cd、Pb、As、Cu和Zn等對環(huán)境和人類健康有嚴(yán)重危害的重金屬元素及較多的病原微生物、寄生蟲卵和毒性有機(jī)物。污泥導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益突出，已造成極大的安全隱患、環(huán)境壓力和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。如何合理地處置城市污水污泥，使其達(dá)到“減量化、無害化及資源化”的目的，已成為我國城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。
[0003]另一方面，從能源角度出發(fā)，城市污水污泥中日益提高的有機(jī)物含量和熱值也使其極具能源回收價(jià)值，利用先進(jìn)的處理技術(shù)，提高城城市污水污泥的能源回收率，并用于替代部分化石燃料，對于解決全球變暖、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)多元化發(fā)展，具有十分重要的意義。
[0004]污泥發(fā)電不但可以實(shí)現(xiàn)污泥的安全處理，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用，是污泥合理利用的發(fā)展趨勢。燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一項(xiàng)非常具有前景的技術(shù)。以污泥為底物的微生物燃料電池技術(shù)(MFC)，可以實(shí)現(xiàn)污泥降解和發(fā)電同步，功率輸出密度為40?250mW/m2。然而，該技術(shù)也存在具有諸多不足，如輸出功率密度低、穩(wěn)定性差、污泥降解效率低、電極材料催化劑價(jià)格昂貴等。直接液體催化燃料電池技術(shù)是一種全新的燃料電池技術(shù)，該技術(shù)可以將如淀粉、纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)在室溫下直接轉(zhuǎn)換為電能。污泥中含有一定量的有機(jī)質(zhì)，理論上污泥中的有機(jī)質(zhì)部分也可以與液體直接燃料電池中的陽極電解質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子經(jīng)過外電路，對外做功從而實(shí)現(xiàn)污泥中的有機(jī)質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。以污泥為燃料的液體直接燃料電池技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的高效、清潔利用，是一項(xiàng)極有前景的新型燃料電池技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及到一種污泥燃料電池，可以在低溫下直接將污泥轉(zhuǎn)化為電能，燃料不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。該污泥燃料電池的陰極和陽極分別采用不同類型的雜多酸(POMs)為催化劑和電荷載體，代替原來燃料電池中的貴金屬催化劑，最終實(shí)現(xiàn)了無貴金屬的直接污泥-電能液體催化燃料電池技術(shù)(LCFC)。由于采用雜多酸作為催化劑，其性能穩(wěn)定、對燃料中雜質(zhì)，如硫元素、氮元素等不敏感，因此污泥不需要進(jìn)行任何預(yù)處理。
[0006]該燃料電池包含兩個(gè)反應(yīng)池，分別是陽極的雜多酸催化劑(POM-A)和污泥燃料以及陰極的雜多酸催化劑(POM-B)和氧氣。陽極反應(yīng)器內(nèi)POM-A首先被污泥還原，同時(shí)，POM-B在陰極被還原，被還原的POM-B可以被氧氣氧化再生。實(shí)際上，POM-A和POM-B均作為催化劑而不是反應(yīng)劑，因?yàn)閮煞N多酸溶液可以完全被再生，沒有任何質(zhì)量損失。因此，該燃料電池的凈反應(yīng)僅涉及到了污泥的有機(jī)質(zhì)成分和氧氣。具體反應(yīng)過程可以分為四個(gè)步驟:
[0007]第一步，POM-A溶液首先在加熱條件下在陽極內(nèi)被污泥里有機(jī)質(zhì)成分還原，有機(jī)質(zhì)上的電子由有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移至POM-A;
[0008]第二步，通過婦動栗使還原態(tài)POM-A溶液循環(huán)至石墨電極板上，此時(shí)，POM-A分子上所攜帶的電子通過石墨電極傳遞到外部電路，最終轉(zhuǎn)移到陰極的Ρ0Μ-Β。與此同時(shí)，質(zhì)子通過膜由POM-A轉(zhuǎn)移到Ρ0Μ-Β。通過整個(gè)過程，儲存在的污泥有機(jī)質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，對外做功。
[0009 ]第三步，氧化態(tài)的POM-B接受外電路電子，被還原為相對低價(jià)態(tài)，電極電勢降低。
[0010]第四步，還原態(tài)的POM-B被氧氣氧化，失去電子，化合價(jià)升高，從而得到再生。與此同時(shí)，穿過質(zhì)子膜的氫離子與氧離子結(jié)合生成水。
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0012](I)—種污泥燃料電池，包括陽極側(cè)組成物質(zhì)、陽極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陽極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，兩側(cè)物質(zhì)被質(zhì)子交換膜隔離開，陽極側(cè)組成物質(zhì)通過陽極循環(huán)系統(tǒng)將攜帶的電子傳遞到外部電路中，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜與通過陰極循環(huán)系統(tǒng)栗入陰極側(cè)組成物質(zhì)、外電路電子結(jié)合生成水。
[0013](2)根據(jù)(I)所述的污泥燃料電池，所述質(zhì)子交換膜具有第一側(cè)和第二側(cè)，陽極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第一側(cè)，陰極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第二側(cè)。
[0014](3)根據(jù)(I)或(2)所述的污泥燃料電池，所述陽極循環(huán)系統(tǒng)包括陽極液體蠕動栗、連接陽極電極板與陽極反應(yīng)池的陽極管路。
[0015](4)根據(jù)(1)-(3)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陰極循環(huán)系統(tǒng)包括陰極蠕動栗、連接陰極電極板與陰極反應(yīng)池的陰極管路。
[0016](5)根據(jù)(1)-(4)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陽極側(cè)組成物質(zhì)包括污泥、液體氧化劑、水、促進(jìn)劑、污泥降解過程中所生成的中間產(chǎn)物。
[0017](6)根據(jù)(1)-(5)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥是指城市污水處理過程中產(chǎn)生的活性污泥，含水量在0-90%之間，基于脫水后污泥干基固體的揮發(fā)性固體含量30-95%。
[0018](7)根據(jù)(1)-(6)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥干基的固體總有機(jī)碳含量為50g/kg-500g/kg。
[0019](8)根據(jù)(I )-(7)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥的平均顆粒物直徑為15nm_100cmo
[0020](9)根據(jù)(1)-(8)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥的質(zhì)量濃度為0.5%至70%，所述污泥質(zhì)量濃度以污泥干基為標(biāo)準(zhǔn)。
[0021](10)根據(jù)(1)-(9)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述污泥與氧化劑之間的氧化還原反應(yīng)由光照或者加熱或者光照和加熱同時(shí)作用引發(fā)。
[0022](11)根據(jù)(I)-(1)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照為太陽光或者人造光源或者太陽光與人造光組合。
[0023](12)根據(jù)(I)-(Il)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照強(qiáng)度范圍為1-1OOmW/cm2o
[0024](13)根據(jù)(I)-(12)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述光照的波長范圍為10-750nmo
[0025](14)根據(jù)(1)-(13)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述加熱的溫度范圍為25-350Γ。
[0026](15)根據(jù)(1)-(14)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上組合:磷鉬酸(PMo12O4Q)、磷鎢酸(PW12O4Q)、釩取代的磷鉬、H5[PMo9V304q]、多金屬氧酸鹽的組合物(H3PWnMo04o)。
[0027](16)根據(jù)(1)-(15)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑的所占陽極溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-50%。
[0028](17)根據(jù)(1)-(16)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述促進(jìn)劑為增強(qiáng)污泥與氧化劑反應(yīng)程度的組合物，包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上的組合:路易斯酸、布朗斯臺德酸、路易斯堿。
[0029](18)根據(jù)(1)-(17)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述促進(jìn)劑濃度為2ppm-2%。
[0030](19)根據(jù)(1)-(18)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述陰極側(cè)組成物質(zhì)包括催化劑、水和氧化劑。
[0031](20)根據(jù)(1)-(19)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述催化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或者兩項(xiàng)以上的組合:磷鉬酸(PMo12O4Q)及其鹽類，磷鎢酸(PW12O4q)及其鹽類，釩取代的磷鉬酸(PMo9V3O4Q，P3Moi8V7O85)及其鹽類，多金屬氧酸鹽的組合物(H3PWnMo04o)。
[0032](21)根據(jù)(1)-(20)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-70%。
[0033](22)根據(jù)(1)-(21)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，所述氧化劑為氧氣或者空氣。
[0034](23)根據(jù)(1)-(22)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，燃料流體連通的陽極電極的部分的溫度22°C至350°C。
[0035](24)根據(jù)(1)-(23)任一項(xiàng)所述的污泥燃料電池，陽極溶液體積與陰極溶液體積比為1:0.5?1:20。
[0036]本發(fā)明提供的一種污泥燃料電池，污泥首先被雜多酸-A(POM-A)溶液氧化，反應(yīng)溫度為25?350°C，被還原的POM將所獲得的電子輸送至燃料電池的陽極。這些電子通過外部電路，最終被陰極的雜多酸-B(POM-B)所捕獲。在該燃料電池體系中，POM-B的電極電勢比被還原的POM-A電極電勢高，比氧氣的電極電勢低。因此，在該污泥燃料電池中，處于還原狀態(tài)的POM-A作為陽極，POM-B作為陰極。陰極中的還原狀態(tài)的POM-B溶液可以被氧氣再次氧化，回到初始狀態(tài)。直接污泥燃料電池的能量密度可以達(dá)到lOOmW/cm2，表明本發(fā)明中所涉及的低溫直接燃料電池技術(shù)是一項(xiàng)非常有前景的新型燃料電池技術(shù)，可以將污泥中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不造成任何環(huán)境污染問題。
【附圖說明】
[0037]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0038]圖1為本發(fā)明的污泥燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖中I為陽極反應(yīng)池，1-1為污泥，2為陽極管路，3為陽極液體蠕動栗，4為陽極電極板，5為質(zhì)子交換膜，6為陰極電極板，7為陰極管路，8為陰極反應(yīng)池，9為陰極液體蠕動栗。
[0040]圖2為電壓-電流密度和功率-電流密度曲線圖。反應(yīng)條件為:污泥(干基，2.5g)和磷鉬酸(H3[PMO1204Q] (50ml, 0.3M))在80°C預(yù)加熱條件下，陽極溶液與陰極溶液體積比為:1:1o
[0041]圖3為電壓-電流密度和功率-電流密度曲線圖。反應(yīng)條件為:污泥(干基，2.5g)和磷鉬酸(H3[PMO1204Q] (50ml，0.3M))在100°C預(yù)加熱條件下，陽極溶液與陰極溶液體積比為:1:1。
[0042]圖4為為電壓-電流密度和功率-電流密度曲線圖。反應(yīng)條件為:污泥(干基，2.5g)和磷鉬酸(H3[PMO1204Q] (50ml，0.3M))在150°C預(yù)加熱條件下，陽極溶液與陰極溶液體積比為:1:1ο
[0043]圖5為不同反應(yīng)溫度相同反應(yīng)時(shí)間下，功率-電流密度曲線對比圖。
[0044]圖6為在恒定電流(220mA)條件下，燃料電池連續(xù)放電性能測試結(jié)果圖。
[0045]圖7為污泥固體總碳含量測試圖。
[0046]
[0047]
【具體實(shí)施方式】
[0048]以下給出本發(fā)明方法的【具體實(shí)施方式】:
[0049]如圖1所示，一種污泥燃料電池，包括陽極側(cè)組成物質(zhì)、陽極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜
5、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜置5于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陽極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，兩側(cè)物質(zhì)被質(zhì)子交換膜隔離開，陽極側(cè)組成物質(zhì)通過陽極循環(huán)系統(tǒng)將攜帶的電子傳遞到外部電路中，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜與通過陰極循環(huán)系統(tǒng)栗入陰極側(cè)組成物質(zhì)、外電路電子結(jié)合生成水。其中陽極循環(huán)系統(tǒng)包括陽極反應(yīng)池1、陽極液體蠕動栗3、連接陽極電極板4與陽極反應(yīng)池I的陽極管路2，陰極循環(huán)系統(tǒng)包括陰極反應(yīng)池8、陰極液體蠕動栗9、連接陰極電極板6與陰極反應(yīng)池8的陰極管路7。這種燃料電池使用不同氧化還原電位的兩種雜多酸溶液:在陽極反應(yīng)池中儲存的是一種雜多酸(簡寫為Ρ0Μ-Α)溶液和低質(zhì)煤，在光照或加熱條件下發(fā)生污泥中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)氧化反應(yīng)，然后還原態(tài)POM-A溶液在液體蠕動栗的作用下，經(jīng)過管路進(jìn)入陽極石墨電極板內(nèi)，還原態(tài)POM-A溶液將所攜帶的電子轉(zhuǎn)移到外電路，并在溶液中放出氫離子后恢復(fù)到初始態(tài)，此時(shí)氧化態(tài)的POM-A溶液再次循環(huán)回到陽極反應(yīng)池內(nèi)。另外一種電極電勢相對較高的雜多酸溶液(簡寫為POM-B)存儲在陰極反應(yīng)池中，經(jīng)過氧氣氧化后的POM-B溶液被栗入陰極石墨電極板內(nèi)，與經(jīng)過外電路到達(dá)陰極的電子以及穿過Naf1nll5膜的氫離子結(jié)合后，恢復(fù)到初始狀態(tài)，進(jìn)入下一循環(huán)。
[0050]實(shí)施例1:
[0051]1.配制陽極電解液(POM-A)
[0052]取一定量的磷鉬酸Η3[ΡΜ012θ4()]配制成0.3mol/L溶液。
[0053]2.陽極電解液(POM-A)與污泥氧化還原反應(yīng)
[0054]將POM-A溶液(0.3mol/L，50mL)與污泥2.5g(干基)在磷酸(85%,0.45ml)環(huán)境下，采用冷凝管回流方式，在80°C持續(xù)加熱反應(yīng)，結(jié)束后冷卻過濾。
[0055]3.配制陰極電解液(POM-B)
[0056]釩鉬酸H12 [P3Moi8V7O85]作為陰極電解液，溶液濃度為0.3mol/L，陰極溶液的體積50mL，陽極和陰極溶液體積比為1:1。
[0057]4.直接低質(zhì)污泥燃料電池組裝和測試方法
[0058]污泥直接燃料電池系統(tǒng)，包括高密度的石墨電極板、石墨氈和質(zhì)子交換膜。雙極板上有一條蛇形的流道，有效的幾何投影面積為Icm2(流道長5cm，寬2mm，深1mm)。石墨租需要經(jīng)過預(yù)處理，預(yù)處理?xiàng)l件為:首先將石墨氈浸入體積比為3:1的濃硫酸和濃硝酸混合物中，50°C下30分鐘，然后用去離子水沖洗干凈。將預(yù)修飾過的石墨氈填入到雙極板的蛇形流道內(nèi)，將Naf1n膜置于兩片電極板之間。兩片丙烯酸塑料板作為端板將石墨雙極板和聚四氟墊片固定好，以防電解液泄漏。使用聚四氟管將蠕動栗和單電池連接起來，從而實(shí)現(xiàn)電解液外部循環(huán)。
[0059]5.POM-B 再生反應(yīng)
[0060]還原態(tài)的H12[P3Mo18V7085]溶液在氧氣混合容器(玻璃容器直徑為1.5cm，長20cm，內(nèi)填充碳纖維)內(nèi)，與氧氣反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再生。還原態(tài)的Hi2 [P3M018V7O85 ]溶液以30ml/min流速進(jìn)入到氣液混合器內(nèi)，與氧氣混合，02由鋼瓶器供給，流速為12ml/min，壓力為1.0atm。氣液混合器的反應(yīng)溫度為80°C。
[0061 ] 6.低溫下直接污泥燃料電池連續(xù)放電測試
[0062]將還原態(tài)的H3[PMO1204Q]溶液放入陽極反應(yīng)器內(nèi)，然后通過蠕動栗輸送至燃料電池的陽極板進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。同樣的，將H12[p3MO18v7085]溶液，置于陰極反應(yīng)器內(nèi)，然后通過蠕動栗輸送至燃料電池的陰極板。兩個(gè)反應(yīng)器的溫度均維持在80°c，流速分別為30ml/min，液體進(jìn)入陽極板流道前需要經(jīng)過0.2μπι過濾頭，防止污泥中無法溶解的固體雜質(zhì)堵塞管路。本實(shí)施例的電化學(xué)性能測試數(shù)據(jù)如圖2所示。
[0063]實(shí)施例2:
[0064]本實(shí)施例的燃料電池陽極催化劑和陰極催化劑以及燃料電池系統(tǒng)與實(shí)施例1相同，僅污泥與陽極催化劑預(yù)加熱的處理溫度及方式不同。本實(shí)施例中，污泥與陽極催化劑的持續(xù)預(yù)加熱溫度為100°C，采用聚四氟內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱中一定的時(shí)間。本實(shí)施例的電化學(xué)性能測試數(shù)據(jù)如圖3所示。
[0065]實(shí)施例3:
[0066]本實(shí)施例的燃料電池陽極催化劑和陰極催化劑以及燃料電池系統(tǒng)與實(shí)施例2相同，僅污泥與陽極催化劑預(yù)加熱的處理溫度不同。本實(shí)施例中，污泥與陽極催化劑的持續(xù)預(yù)加熱溫度為150°C，采用聚四氟內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜，將反應(yīng)釜置于恒溫烘箱中一定的時(shí)間。本實(shí)施例的電化學(xué)性能測試數(shù)據(jù)如圖4所示。
[0067]實(shí)施例4:
[0068]本實(shí)施例的燃料電池陽極催化劑和陰極催化劑以及燃料電池系統(tǒng)與實(shí)施例2相同，僅污泥與陽極催化劑的用量不同。本實(shí)施例的電化學(xué)性能測試數(shù)據(jù)如圖6所示。
[0069]1.將POM-A溶液(0.3mol/L，200mL)與污泥1g(干基)在磷酸(85%，0.45ml)環(huán)境下，采用冷凝管回流方式，在100°C持續(xù)加熱反應(yīng)，結(jié)束后冷卻過濾。
[0070]2.釩鉬酸H12 [P3Moi8V7O85 ]作為陰極電解液，溶液濃度為0.3moI/L，陰極溶液的體積100mU陽極和陰極溶液體積比為1: 5。[0071 ]結(jié)果分析
[0072]圖2-圖4是800CaOO °C和150 °C三個(gè)不同溫度下，磷鉬酸與污泥隨反應(yīng)時(shí)間的電化學(xué)性能變化曲線，從圖上可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，污泥與多酸的反應(yīng)程度逐漸增加，從24小時(shí)延長到36小時(shí)變化不大，說明開始階段隨著時(shí)間變化較快，當(dāng)達(dá)到一定的反應(yīng)程度后，速率逐漸減慢。
[0073]圖5是80 °C、100 °C和150 °C三個(gè)不同溫度下，經(jīng)過同樣的反應(yīng)時(shí)間12小時(shí)，功率-電流密度曲線，綜合以上數(shù)據(jù)可以說明溫度對污泥與雜多酸的反應(yīng)程度影響較大，相同的反應(yīng)時(shí)間下，溫度越高，反應(yīng)程度越高，最高功率密度可達(dá)63mW/cm2。
[0074]圖6在恒定電流(220mA)條件下，測定了燃料電池連續(xù)放電性能。將1g的褐污泥與
0.3mol/L 200ml磷鉬酸在100°C下反應(yīng)24小時(shí)，將反應(yīng)液過濾后，置于燃料電池陽極反應(yīng)池內(nèi)，反應(yīng)溫度為80°C，持續(xù)放電電流密度為10mA cm—2，初始功率密度為45mW cm-2，持續(xù)放電12小時(shí)后，功率密度降低到30mW cm—2，全部放電時(shí)間持續(xù)23小時(shí)，將過濾后的固體進(jìn)行再次放電實(shí)驗(yàn)，初始功率密度降低到30mW/cm2，全部放電過程僅持續(xù)了 4.5個(gè)小時(shí)。隨后，再次將剩余固體進(jìn)行加熱反應(yīng)，然后放電，初始功率約為20mW/cm2，放電時(shí)間不足三小時(shí)。以上數(shù)據(jù)說明經(jīng)過第一輪反應(yīng)，大部分的有機(jī)質(zhì)已經(jīng)全部溶解到了溶解中，剩余固體中的有機(jī)質(zhì)部分較少。
[0075]圖7是將1g的褐污泥與0.3mol/L 200ml磷鉬酸在100°C下反應(yīng)24小時(shí)，將反應(yīng)的固體剩余物經(jīng)過多次沖洗、過濾后，在105°C下干燥12小時(shí)后，進(jìn)行稱量，并進(jìn)行固體TOC測試。測試結(jié)果表明，第一輪反應(yīng)大約有60%的固體物質(zhì)溶液到溶液中，第二輪質(zhì)量一共減少了大約80%，到第三輪反應(yīng)結(jié)束后，固體質(zhì)量總體降低了 90%。固體的總碳含量隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)先降后升的規(guī)律，這是由于開始階段大量的有機(jī)物質(zhì)溶于溶液中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行無機(jī)物也開始大量溶解，碳含量相對提高。
[0076]上述實(shí)施例并非【具體實(shí)施方式】的窮舉，還可有其他的實(shí)施例，上述實(shí)施例目的在于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，所有由本發(fā)明簡單變化而來的應(yīng)用均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0077]此專利說明書使用實(shí)例去展示本發(fā)明，其中包括最佳模式，并且使熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員制造和使用此項(xiàng)發(fā)明。此發(fā)明可授權(quán)的范圍包括權(quán)利要求書的內(nèi)容和說明書內(nèi)的【具體實(shí)施方式】和其它實(shí)施例的內(nèi)容。這些其它實(shí)例也應(yīng)該屬于本發(fā)明專利權(quán)要求的范圍，只要它們含有權(quán)利要求相同書面語言所描述的技術(shù)特征，或者它們包含有與權(quán)利要求無實(shí)質(zhì)差異的類似字面語言所描述的技術(shù)特征。
[0078]所有專利，專利申請和其它參考文獻(xiàn)的全部內(nèi)容應(yīng)通過引用并入本申請文件。但是如果本申請中的一個(gè)術(shù)語和已納入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)的術(shù)語相沖突，以本申請的術(shù)語優(yōu)先。
[0079]本文中公開的所有范圍都包括端點(diǎn)，并且端點(diǎn)之間是彼此獨(dú)立地組合。
[0080]需要注意的是，“第一”，“第二”或者類似詞匯并不表示任何順序，質(zhì)量或重要性，只是用來區(qū)分不同的技術(shù)特征。結(jié)合數(shù)量使用的修飾詞“大約”包含所述值和內(nèi)容上下文指定的含義(例如:它包含有測量特定數(shù)量時(shí)的誤差)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種污泥燃料電池，其特征在于，包括陽極側(cè)組成物質(zhì)、陽極循環(huán)系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜、陰極側(cè)組成物質(zhì)、陰極循環(huán)系統(tǒng)，所述質(zhì)子交換膜置于陰極循環(huán)系統(tǒng)和陽極循環(huán)系統(tǒng)之間，陽極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陽極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，陰極側(cè)組成物質(zhì)儲存于陰極循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜具有第一側(cè)和第二側(cè)，陽極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第一側(cè)，陰極電極及溶液置于質(zhì)子交換膜的第二側(cè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陽極循環(huán)系統(tǒng)包括陽極液體蠕動栗、連接陽極電極板與陽極反應(yīng)池的陽極管路。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陰極循環(huán)系統(tǒng)包括陰極液體蠕動栗、連接陰極電極板與陰極反應(yīng)池的陰極管路。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陽極側(cè)組成物質(zhì)包括污泥、液體氧化劑、水、促進(jìn)劑、污泥降解過程中所生成的中間產(chǎn)物。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥是指城市污水處理過程中產(chǎn)生的活性污泥，含水量在0-90%之間，基于脫水后污泥干基固體的揮發(fā)性固體含量30-95%。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥固體總有機(jī)碳含量為50g/kg_500g/kgo8.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥的平均顆粒物直徑為15nm_100cmo9.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥的質(zhì)量濃度為0.5%至70%，所述污泥質(zhì)量濃度以污泥干基為標(biāo)準(zhǔn)。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述污泥與氧化劑之間的氧化還原反應(yīng)由光照或者加熱或者光照和加熱同時(shí)作用引發(fā)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照為太陽光或者人造光源或者太陽光與人造光組合。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照強(qiáng)度范圍為1-1OOmW/Cm2013.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述光照的波長范圍為10-750nmo14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述加熱的溫度范圍為25-350Γ。15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上組合:磷鉬酸(PMoi2040 )、磷鎢酸(PW12040 )、釩取代的磷鉬酸H5[PM010V2O40]、H5[PMo9V304q]、多金屬氧酸鹽的組合物(H3PWnMo04o)。16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑的所占陽極溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-50%。17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述促進(jìn)劑為增強(qiáng)污泥與氧化劑反應(yīng)程度的組合物，包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或兩項(xiàng)以上的組合:路易斯酸、布朗斯臺德酸、路易斯堿。18.根據(jù)權(quán)利要求5所述污泥燃料電池，其特征在于，所述促進(jìn)劑濃度為2ppm-2%。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述陰極側(cè)組成物質(zhì)包括催化劑、水和氧化劑。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述催化劑包括以下一項(xiàng)或任意兩項(xiàng)或者兩項(xiàng)以上的組合:磷鉬酸(PM012O4q)及其鹽類，磷鎢酸(PW12O4q)及其鹽類，釩取代的磷鉬酸(PMo9V3OiP3Mo18V7O85)及其鹽類，多金屬氧酸鹽的組合物(H3PWnMo04o)。21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-70%。22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的污泥燃料電池，其特征在于，所述氧化劑為氧氣或者空氣。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，燃料流體連通的陽極電極的部分的溫度22°C至350°C。24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污泥燃料電池，其特征在于，陽極溶液體積與陰極溶液體積比為 1:0.5 ?1:20。
【文檔編號】H01M8/16GK105977514SQ201610369745
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】郭樺, 鄧渝林, 劉聰敏, 張喆, 劉偉, 徐冬
【申請人】國電新能源技術(shù)研究院