CN103943875B - 生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用 - Google Patents

生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用。该装置包括生物膜电极驯化单元、可调电阻控制电路板、数据采集系统，其中生物膜电极驯化单元主要为厌氧环境下产电细菌富集、生物膜电极批量驯化场所，可调电阻控制电路板用于调节生物膜电极外电路负载电阻，数据采集系统用于负载电阻两端电势差及其他相关电化学参数的采集、记录与分析，该装置操作方便、性能稳定，可为应用前景巨大的生物电化学系统提供多组覆膜良好、性能高效的生物膜电极。同时，本发明方法实现多组生物膜电极快速集成驯化培养，并建立电化学评价方法确立生物膜电极成熟标志，能够为生物电化学系统在生物质产能、污染物降解等领域的推广应用提供技术支撑。

Description

生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用，是一种将产电微生物定向富集与生物膜电极集成驯化两种过程相结合的方法，可在该装置内实现多组生物膜电极集成驯化，推进生物电化学系统的科学研究与技术应用。
背景技术
当前，能源短缺和环境污染是全球可持续发展所面临的严峻问题与关注焦点。生物电化学系统（Bioelectrochemicalsystems,BESs）因其同步生物质产能、污染物降解特点，在能源与环境领域受到研究者广泛关注，近年来已在产电产氢以及高浓度硝酸盐、高氯酸盐、Cr、偶氮染料等废水处理中得到应用。常见的BESs系统主要分为微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）和微生物电解池（MicrobialElectrolysisCell,MEC）两大类，其中前者利用微生物将生物质中的化学能转化为电能，即将未经处理的污水变成干净水的同时发电；后者则在微生物作用下将废水有机物的化学能转化为氢，即处理难处理高浓度硝酸盐、高氯酸盐等废水的同时产生清洁高效能氢能源。相比于传统方法，生物电化学技术可在微生物代谢生物质的同时产电产氢，并具有装置简单、性能稳定、能耗较低等特点。
常规生物电化学系统中，由于阳极的产电微生物富集过程缓慢并且富集程度不同，导致生物电化学系统启动时间长，性能不一。在生物电化学系统中直接安装驯化成熟的生物膜电极可大大加快系统启动时间、实现稳定运行。因此，为进一步推进生物电化学系统的科学研究与技术应用，多组性能稳定、结构相似的生物膜电极需要批量集成驯化。与常规微生物电解池和微生物燃料电池自然挂膜驯化相比，利用MFC进行生物膜电极驯化，由于阴阳两极存在的电位差，在微电场作用下产电微生物可在阳极高度富集。同时，多组生物膜电极在统一体系内集成驯化、线路集成连接，避免了因接种物、底物浓度、环境条件等差异而导致的生物膜组成结构不同及多个MFC运行驯化的复杂，具有装置简便美观、运行操作简单等优点。但是，目前生物膜电极驯化缺乏系统的操作策略，成熟生物膜电极的判定也缺乏相应的标准。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术中存在的不足，提供一种设计合理、结构优化、操作简单的生物电化学系统膜电极集成驯化方法和装置，并据此提出可靠的运行策略。本发明采用的技术方案概况如下：
一种生物电化学系统膜电极集成驯化方法，将产电微生物定向富集与生物膜电极集成驯化两种过程相结合；微电场刺激下产电微生物在阳极氧化底物并提供电子传递到阴极，在外电路形成闭合回路产生电流，进而实现产电微生物在阳极的定向富集；微电场刺激下产电微生物在阳极定向富集，从而实现生物膜电极集成驯化；将多个微生物燃料电池并联，每个微生物燃料电池自成一体，分别由阴极、生物阳极、可调电阻控制电路板负载电阻形成完整回路，同时所有阴极、生物阳极处于同一个阴极室和阳极室，在一致的培养条件下确保生物膜电极集成驯化。
一种生物电化学系统膜电极集成驯化装置，包括生物膜电极驯化单元、可调电阻控制电路板、数据采集系统，生物膜电极驯化单元主要为厌氧环境下产电细菌富集、生物膜电极批量驯化场所，可调电阻控制电路板用于调节生物膜电极外电路负载电阻，数据采集系统用于负载电阻两端电势差及其他相关电化学参数的采集、记录与分析；
所述的生物膜电极驯化单元包括阴极室、阳极室、质子交换膜和多组电极体系，所述的电极体系包括阴极、生物阳极、参比电极以及导电钛线；
所述的数据采集系统包括多通道数据采集器和装有数据记录软件的电脑；
所述的生物膜电极驯化单元的阴极室和阳极室由质子交换膜分隔，通过法兰固定，阴极室和阳极室正对分别设置多组阴极孔槽、阳极孔槽和参比电极孔槽用于电极固定，其中参比电极孔槽设置在阳极室顶部阳极孔槽附近，阴极和生物阳极分别通过导电钛线连接并固定于阴极孔槽和阳极孔槽，参比电极固定在参比电极孔槽，两极室和两侧间隔均匀设置三个排水口，并安装阀门用于水样采集及营养液更换，驯化装置外部用石蜡密封保持其厌氧环境。对应阴极和生物阳极连接的导电钛线通过导线与可调电阻控制电路板接线端子相连，多通道数据采集器数据采集通道并联于可调电阻控制电路板电阻两端，多通道数据采集器连接装有数据记录软件的电脑。
所述的阴极为304不锈钢网电极，生物阳极为石墨毡电极，质子交换膜为CMI7000。
所述的可调电阻控制电路板，由十组接线端子，电阻值分别为10Ω、50Ω、100Ω、300Ω、500Ω、750Ω、1000Ω、3000Ω、7500Ω、10000Ω的电阻，与相应的拨码开关连接而成，每对阴极和生物阳极连接一组接线端子，通过控制拨码开关，同时控制所有微生物燃料电池的负载。
使用多通道数据采集系统，拥有多组数据采集端口，每个数据采集端口包括一根阴极接线、一根阳极接线和一根参比电极接线，每个数据采集端口阴阳极接线以并联的方式连接于相应阴极和生物阳极所接可调电阻控制电路板负载电阻接线端子的两端，参比电极接线连于参比电极，通过多通道数据采集器连接的装有数据记录软件的电脑，同时采集每对电极的负载电压及阳极电位，进而绘制极化曲线。
一种所述的装置的应用方法，步骤如下，
1）、电极预处理：所述的生物阳极使用前分别经1mol·L-1NaOH和1mol·L-1HCl浸泡24h后，保存在超纯水中待用；阴极在70%酒精中超声20min，超纯水洗净后继续超声20min，浸泡在超纯水中待用；质子交换膜在1g·L-1NaCl中浸泡4h，恢复其通透性后装入生物膜电极集成驯化单元；导电钛线经细砂纸打磨光滑后备用；
2）、生物电化学系统膜电极集成驯化装置启动：在阴极室和阳极室中分别加入富集培养液和阴极电解液，然后在阳极室进行接种，接种物取自造纸厂废水处理站的厌氧污泥，以研钵磨碎并通过0.45mm筛网过滤获得；阳极室以蔗糖1g·L-1作为底物，阴极室以铁氰化钾50mmol·L-1和碳酸氢钠2g·L-1混合液作为电解液；
并在30±3℃恒温条件下启动装置，在1000Ω外阻下连续运行一个月，定期监测所述装置的输出电压、阳极电位，以及电路电流，当输出电流低于20mA时按体积比1:1更换培养液；
通过电阻控制电路板逐步改变负载电阻至50Ω，当阳极未出现过电位时，即阳极电势比较平稳并未骤增甚至为正值，则测得相应的输出电压并绘制阳极极化曲线；若通过电阻控制电路板逐步改变负载电阻至50Ω，当阳极出现过电位时，则回调到1000Ω外阻下继续运行一个月，然后调节负载电阻至50Ω，当阳极不出现过电位后绘制阳极极化曲线，若当阳极出现过电位时，进行上述循环操作，直至阳极不出现过电位后绘制阳极极化曲线；
3）、多组电极驯化成功判断：在电路电流大于2.0mA条件下，阳极电位仍在-150mV至-250mV时，据此判断单组的生物电化学系统膜电极驯化成功，阳极极化曲线用于判断多组的生物电化学系统膜电极覆膜情况、成熟情况以及平行性；
4）、多组的生物电化学系统膜电极的应用：选择成熟相似的生物阳极5安置于生物电化学体系BESs进行应用。
所述的阳极极化曲线绘制如下：多组阳极极化曲线进行批量绘制，通过电阻控制电路板调节多组电极负载，依次为10kΩ,5kΩ,3kΩ,500Ω,300Ω,100Ω,50Ω,10Ω,监测不同负载电阻下的阳极电势，每次稳定1.5h~2h。
本发明的有益效果在于：这种生物电化学系统膜电极集成驯化方法、装置及其应用，将多组生物膜电极在统一体系内集成驯化。该装置结构合理，功能性良好，并提供一种生物膜电极快速集成驯化策略以及生物膜电极特性评价方法，实现生物膜电极驯化简单化、稳定化、批量化，为生物电化学体系BESs在污染物处理以及产能等领域的科学研究与推广应用提供技术支撑。
附图说明
图1是生物电化学系统膜电极集成驯化装置结构示意图；
图2a、2b分别是生物电化学系统生物膜电极驯化单元的俯视图和剖面图；
图3是生物电化学系统膜电极驯化流程图；
图4是可调电阻控制电路板结构图；
图5是生物电化学系统膜电极的阳极极化曲线;
图中，阴极室1、阳极室2、质子交换膜3、阴极4、生物阳极5、阴极孔槽6、参比电极孔槽7、阳极孔槽8、导电钛线9、参比电极10、排水口11、电阻控制电路板12、多通道数据采集器13、电脑14。其中，电极j作为示例连接可调电阻控制电路板和数据采集装置，实际电极a~i均连接可调电阻控制电路板和数据采集装置）。
具体实施方式
本发明在一个长方形的微生物燃料电池壳体内平行正对设置多组电极对，相当于多个传统微生物燃料电池并联而成。每对阴阳电极电势差在电极周围营造微电场，刺激产电微生物富集在电极表面形成生物膜电极。生物阳极附着的产电微生物氧化底物产生电子，通过闭合外电路传递至阴极被阴极室氧化态物质吸收，从而外电路形成电流。这种生物膜电极驯化方法将产电微生物定向富集与生物膜电极集成驯化两种过程有机结合。
本发明涉及的生物电化学系统膜电极集成驯化装置，主要包括生物膜电极驯化单元、可调电阻控制电路板以及多通道数据采集系统。生物膜电极驯化单元主要由阳极室、阴极室和质子交换膜组成，极室内部通过导线钛线、顶部预留的电极孔槽和胶塞平行设置多对电极，阴极为不锈钢网，阳极为石墨毡，参比电极为Ag/AgCl电极。电极通过导线与电阻控制电路板上对应的负载电阻的接线端子相连，形成回路。多通道数据采集系统主要由多通道数据采集器和装有数据记录软件的电脑组成，多通道数据采集器的每组采集端口线分别连接一对电极的负载两端，参比电阻线连接参比电极，同时完成每个电极对的负载两端电势差以及阳极电位的采集、记录与分析。可调电阻控制电路板将所有负载电阻集成优化，通过拨码开关调节每个负载的电阻，从而实现每对电极的数据监测、极化曲线绘制。
在本发明涉及的微生物燃料电池壳体内设置多组平行放置的电极对进行集成驯化，这不是多个微生物燃料电池的简单叠加，而是赋予每组电极对相同的接种物种类、底物浓度、生长环境条件，实现生物膜电极驯化简单化、稳定化、批量化。
以下通过实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1
该装置结构示意图如图1所示，其中生物膜驯化单元由阴极室1和阳极室2组成，中间由质子交换膜隔开，并由法兰紧密固定，内部通过固定装置安装有十组生物电极体系。其中，阴极室1和阳极室2壳体均采用有机玻璃制成，长均为60cm，宽均为5cm，高为13cm，有效体积均为3.9L。质子交换膜采用CMI7000，规格为70cm×15cm。生物电极体系由正对生物阴极4、生物阳极5和参比电极10组成，生物阴极4通过导电钛线9连接并固定于阴极室1顶端设置的阴极空槽6的硅胶塞上；生物阳极5通过导电钛线9连接并固定于阳极室2顶端设置的阳极空槽8的硅胶塞上；参比电极10固定于阳极室2顶部设置的阳极空槽6对应的参比电极孔槽7上。阴极空槽6、阳极空槽8和参比电极孔槽7，直径均为1cm，阴极空槽6和阳极空槽8间距为3cm，阳极空槽8和参比电极孔槽7间距为1cm，硅胶塞与有机玻璃接合处用密封带和石蜡依次固定密封。生物阴极4为304不锈钢网，网孔尺寸为60目，生物阳极5为石墨毡，两电极均为宽5cm、长20cm，有效正对面积100cm2。每对电极（4和5）连接的导电钛线9通过导线与可调电阻控制电路板12接线端子相连，可调电阻控制电路板12负载电阻两端并联多通道数据采集器13采集端，多通道数据采集器13与电脑14相连。
上述的生物膜电极集成驯化装置的运行策略简述如下：
1、电极预处理：石墨毡阳极分别经1mol·L-1NaOH和1mol·L-1HCl浸泡24h后，保存在超纯水中待用；不锈钢网阴极在70%酒精中超声20min，用超纯水冲洗干净后继续超声20min，浸泡在超纯水中待用；质子交换膜（CMI7000）在1g·L-1NaCl中浸泡4h，恢复其通透性后装入驯化装置；导电钛线使用细砂纸打磨光滑后备用。
2、生物膜电极集成驯化装置启动：图2a、2b为生物膜电极集成驯化装置的俯视图和剖面图，装置启动前，分别阴极室1和阳极室2中分别加入富集培养液和阴极电解液，富集培养液为1g·L-1COD母液（具体配方如表1所示）、50mmol·L-1磷酸缓冲溶液（200mmol·L-1KH2PO4和200mmol·L-1Na2HPO4，按2:3混合，pH=7.0），阴极电解液为50mmol·L-1K3Fe(CN)6、2g·L-1NaHCO3。此外，在阳极添加接种物，取自某造纸厂厌氧污泥，经研磨后过0.45mm不锈钢筛，接种物与富集培养液的体积比为1:3，污泥浓度控制在2g·L-1。
表1COD母液配方（g·L-1）
成分 Sucrose NH4HCO3 KH2PO4 K2HPO4·3H2O NaHCO3
浓度 90 14.1 0.97 1.62 33.3
图4为可调电阻控制电路板示意图，按图所示连接外电路，并在（30±3）℃恒温条件下启动装置，同时监测系统输出电压和阳极电位，当输出电流低于20mV时通过排水口11按体积比1:1更换培养液。
3、生物膜电极集成驯化装置性能评估：生物膜电极集成驯化装置运行策略按图3所示，装置在1000Ω外阻下连续运行一个月，当两次达到最大输出电压且数值接近时，在此条件下继续运行半个月，通过改变电阻控制电路板12逐步改变负载电阻至50Ω，测得相应的输出电压并绘制极化曲线（如图5所示），在电路电流大于2.0mA条件下，阳极电位仍在-200mV左右，据此判断生物膜电极驯化成功，之后可选取极化曲线相似的生物膜电极开展后续科学研究与技术应用。

Claims (5)

1.一种生物电化学系统膜电极集成驯化装置，其特征在于：包括生物膜电极驯化单元、可调电阻控制电路板（12）、数据采集系统，生物膜电极驯化单元主要为厌氧环境下产电细菌富集、生物膜电极批量驯化场所，可调电阻控制电路板（12）用于调节生物膜电极外电路负载电阻，数据采集系统用于负载电阻两端电势差及其他相关电化学参数的采集、记录与分析；
所述的生物膜电极驯化单元包括阴极室（1）、阳极室（2）、质子交换膜（3）和多组电极体系，所述的电极体系包括阴极（4）、生物阳极（5）、参比电极（10）以及导电钛线（9）；
所述的数据采集系统包括多通道数据采集器（13）和装有数据记录软件的电脑（14）；
所述的生物膜电极驯化单元的阴极室（1）和阳极室（2）由质子交换膜（3）分隔，通过法兰固定，阴极室（1）和阳极室（2）正对分别设置多组阴极孔槽（6）、阳极孔槽（8）和参比电极孔槽（7）用于电极固定，其中参比电极孔槽（7）设置在阳极室顶部阳极孔槽（8）附近，阴极（4）和生物阳极（5）分别通过导电钛线（9）连接并固定于阴极孔槽（6）和阳极孔槽（8），参比电极（10）固定在参比电极孔槽（7），两极室（1）和（2）两侧间隔均匀设置三个排水口（11），并安装阀门用于水样采集及营养液更换，驯化装置外部用石蜡密封保持其厌氧环境；
对应阴极（4）和生物阳极（5）连接的导电钛线（9）通过导线与可调电阻控制电路板（12）接线端子相连，多通道数据采集器（13）数据采集通道并联于可调电阻控制电路板（12）电阻两端，多通道数据采集器（13）连接装有数据记录软件的电脑（14）。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的阴极（4）为304不锈钢网电极，生物阳极（5）为石墨毡电极，质子交换膜（3）为CMI7000。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的可调电阻控制电路板（12），由十组接线端子，电阻值分别为10Ω、50Ω、100Ω、300Ω、500Ω、750Ω、1000Ω、3000Ω、7500Ω、10000Ω的电阻，与相应的拨码开关连接而成，每对阴极（4）和生物阳极（5）连接一组接线端子，通过控制拨码开关，同时控制所有微生物燃料电池的负载电阻。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：使用多通道数据采集系统（13），拥有多组数据采集端口，每个数据采集端口包括一根阴极接线、一根阳极接线和一根参比电极接线，每个数据采集端口阴阳极接线以并联的方式连接于相应阴极（4）和生物阳极（5）所接可调电阻控制电路板（12）负载电阻接线端子的两端，参比电极接线连于参比电极（10），通过多通道数据采集器（13）连接的装有数据记录软件的电脑（14），同时采集每对电极的负载电压及阳极电位，进而绘制极化曲线。
5.一种根据权利要求1所述的装置的应用方法，其特征在于：步骤如下，
1）、电极预处理：所述的生物阳极使用前分别经1mol·L-1NaOH和1mol·L-1HCl浸泡24h后，保存在超纯水中待用；阴极（4）在70%酒精中超声20min，超纯水洗净后继续超声20min，浸泡在超纯水中待用；质子交换膜（3）在1g·L-1NaCl中浸泡4h，恢复其通透性后装入生物膜电极集成驯化单元；导电钛线（9）经细砂纸打磨光滑后备用；
2）、生物电化学系统膜电极集成驯化装置启动：在阴极室1和阳极室2中分别加入富集培养液和阴极电解液，然后在阳极室（2）进行接种，接种物取自造纸厂废水处理站的厌氧污泥，以研钵磨碎并通过0.45mm筛网过滤获得；阳极室（2）以1g·L-1蔗糖作为底物，阴极室（1）以50mmol·L-1铁氰化钾和2g·L-1碳酸氢钠混合液作为电解液；
并在30±3℃恒温条件下启动装置，在1000Ω外阻下连续运行一个月，定期监测所述装置的输出电压、阳极电位，以及电路电流，当输出电流低于20mA时按体积比1:1更换培养液；
通过电阻控制电路板（12）逐步改变负载电阻至50Ω，当阳极未出现过电位时，即阳极电势比较平稳并未骤增甚至为正值，则测得相应的输出电压并绘制阳极极化曲线；若通过电阻控制电路板（12）逐步改变负载电阻至50Ω，当阳极出现过电位时，则回调到1000Ω外阻下继续运行一个月，然后调节负载电阻至50Ω，当阳极不出现过电位后绘制阳极极化曲线，若当阳极出现过电位时，进行循环操作，直至阳极不出现过电位后绘制阳极极化曲线；
3）、多组电极驯化成功判断：在电路电流大于2.0mA条件下，阳极电位仍在-150mV至-250mV时，据此判断单组的生物电化学系统膜电极驯化成功，阳极极化曲线用于判断多组的生物电化学系统膜电极覆膜情况、成熟情况以及平行性；
4）、多组的生物电化学系统膜电极的应用：选择成熟相似的生物阳极（5）安置于生物电化学体系进行应用。
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