結合電容去離子技術及微生物燃料電池之水處理暨能源再生技術

Development of microbial fuel cell driven capacitive deionization technology as a means of sustainable wastewater treatment process

蔡成章(Cheng-Chang Tsai)

指導教授 ： 侯嘉洪

國立臺灣大學/工學院/環境工程學研究所/碩士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201610447

摘要

隨著人口快速成長及工業發展，石化燃料的使用量逐年增加，溫室氣體的排放量並隨之增長。然而，大量的溫室氣體排放將導致全球氣候變遷，進而對環境及水資源造成重大的影響。為了保有充裕的水資源可供民生使用，可利用廢水處理和海水、半鹽水脫鹽等方式，取得新興水源。在進行水處理過程中，必須消耗大量的能源來提供能量，而石化燃料為能量的主要來源。因此，水與能源技術永續性的發展為現今主要之目的，能夠同時進行廢水處理及能源之產生。有鑑於此，本研究主要致力於發展將微生物燃料電池(Microbial fuel cell)結合電容去離子(Capacitive deionization)之技術應用於水處理及能源回收。微生物燃料電池原理為利用胞外產電的微生物代謝廢水中之有機物質，並能夠於過程中產生電力。 電容去離子技術原理為利用奈米孔洞活性碳材移除水中之離子，並僅需少量之能源消耗便能驅動。於本論文中，將電容去離子技術結合微生物燃料電池作為一連續式之廢水處理系統。由結果可知，微生物燃料電池可氧化水中之有機物質，並能夠提供 0.49 V 之電壓驅動電容去離子，而電容去離子可進一步移除水中之陰陽離子，來達到一永續性之水處理技術。另外，於微生物燃料電池中，化學需氧量(Chemical oxygen demand)及氨氮(Ammonia)之移除效率可達到 90 % 及 99 %。綜合以上結論，微生物燃料電池驅動電容去離子技術能夠處理廢水並將產生之電力利用於能源回收，來達到一能源再生之廢水處理技術。

關鍵字

微生物燃料電池 ； 電容去離子技術 ； 廢水處理 ； 能源回收 ； 奈米碳材

並列摘要

Microbial fuel cell (MFC) is a technology which uses exoelectrogenic microorganisms to oxidize organic matter in the wastewater to generate electricity. Capacitive deionization (CDI), an electrochemically controlled method for deionization by the electrosorption of ions in the electrical double layer region at an electrode–solution interface. In this study we integrated MFC and CDI process to constitute a sustainable wastewater treatment which treated domestic wastewater and produced electricity simultaneously. From the results, the removal efficiency of chemical oxygen demand (COD) in MFC bioreactors achieved about 90 %, as well as the ammonia. It means that the cathode of MFC bioreactors perform in nitrification, which can convert ammonia to nitrate and nitrite. Furthermore, nitrate/nitrite in the MFC effluent can be further removed by CDI process. By coupling CDI with parallel MFCs, the highest potential (0.46 V) of parallel MFCs could be achieved to drive CDI removing ionic species from aqueous solutions. Therefore, the MFC-CDI technology, which utilizes energy recovered from wastewater, has a great potential to be an energy saving and advanced water purification process.

並列關鍵字

Wastewater treatment ； Microbial fuel cell ； Capacitive deionization ； Nanoporous activated carbon ； Energy recovery

參考文獻

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