CN105958083A - 一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 - Google Patents
一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105958083A CN105958083A CN201610421770.2A CN201610421770A CN105958083A CN 105958083 A CN105958083 A CN 105958083A CN 201610421770 A CN201610421770 A CN 201610421770A CN 105958083 A CN105958083 A CN 105958083A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrogel
- electrode
- microorganism
- oxytolerant
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 title claims abstract description 104
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims abstract description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 11
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 9
- 239000000499 gel Substances 0.000 claims description 8
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 4
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 claims description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000012531 culture fluid Substances 0.000 claims description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 abstract 1
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 8
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 7
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 6
- 229940068984 polyvinyl alcohol Drugs 0.000 description 6
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 6
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 5
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 description 5
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- 150000002085 enols Chemical class 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 241001597008 Nomeidae Species 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000012817 gel-diffusion technique Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 150000002926 oxygen Chemical class 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8668—Binders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
本发明公开一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用。该水凝胶微生物电极主要由厌氧的电活性微生物在水凝胶封装的电极内部三维增殖所形成。将水凝胶的前驱体溶液通过浸入或涂刷等方法，涂覆到集流体上，再经原位交联，形成水凝胶电极；随后，将水凝胶电极置于含有机物底物的培养液中，接种厌氧电活性微生物，并在厌氧条件下进行恒电位电化学辅助培养，直到产生稳定的电流输出，即形成耐氧水凝胶微生物电极。基于该耐氧水凝胶微生物电极的微生物燃料电池将可以直接与现有的污水处理技术相融合，如活性污泥技术，实现高效去污的同时，回收电能。
Description
技术领域
本领域涉及一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用
背景技术
微生物燃料电池(microbial fuel cells,简称MFCs)是近年来发展起来的一类利用电活性微生物氧化分解有机质，将化学能转变成电能装置。MFCs可以利用富含有机质的农业废弃物、动物排泄物以及生活污水作为燃料，可以在去除污染物的同时回收一部分电能，是一种新型的污水处理技术。MFCs用于污水处理可以不需曝气，不仅可以大大节省能耗，而且还可实现污水的资源化利用。然而，MFCs在实际的污水处理中的应用还是受到了极大的限制，主要的原因在于MFCs的产电性能相对较低。MFCs的产电性能决定了其去污能力，低的产电性能将导致低的污染物去除效率。因此，进一步提高MFCs的产电性能，提高污染物去除效率，对于推动MFCs在污水处理中的应用具有重要的意义。
一般来说，在MFCs电极生长的电活性微生物是厌氧的，需要在厌氧环境下才能保持较高的电化学催化活性。短时间暴露在低浓度溶解氧条件下，电极微生物电活性会受极大抑制；而长时间暴露在高浓度溶解氧条件下，其将失去电活性。然而，在MFCs中，常用的阴极是氧气还原阴极，即氧气在催化剂的催化下被还原成水，需要通过曝气或空气扩散的方式向阴极连续供给氧气。阴极的氧气会同时向微生物阳极扩散，从而影响阳极微生物的电活性。尽管使用质子或离子交换膜可以阻碍阴极的氧气向电极扩散，但是质子或离子交换膜的使用将给MFC带来较大的内阻，同时增加MFCs的成本。如何增加MFCs电极微生物的耐氧性能，是MFCs用于污水处理需要解决的一个关键问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是针对现有MFCs中的微生物阳极存在的耐氧性不足，提供一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，使MFCs中的微生物阳极可以在好氧条件下够保持与其在厌氧条件下同样优异的电化学活性，并具有良好的长期运行稳定性。
本发明的另一个目的是提供一种上述制备方法制备而成的耐氧水凝胶微生物电极。
本发明的另一个目的是提供一种上述耐氧微生物电极的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种耐氧水凝胶微生物电极，它的特征是厌氧电活性微生物在水凝胶封装的电极内部三维增殖形成所述的耐氧水凝胶微生物电极；其组成结构从外到内依次是：水凝胶、厌氧电极电活性微生物膜和集流体。
所述的耐氧水凝胶微生物电极，其制备方法具体为：
(1)水凝胶电极的制备：将水凝胶的前驱体溶液通过浸入或涂刷等方法，涂覆到集流体上，再经原位交联，形成水凝胶电极；
(2)水凝胶电极的三维培养：将水凝胶电极置于含有机物底物的培养液中，接种厌氧电活性微生物，并采用恒电位电化学技术给水凝胶电极施加一恒电位，在厌氧条件下进行电化学辅助培养，直到产生稳定的电流输出，即形成所述的耐氧水凝胶微生物电极。
上述方法中，步骤(1)中的集流体材料具有导电性和微生物相容性，其表面可以附着、生长电活性的微生物膜；集流体的材料包括碳、石墨、不锈钢及其修饰材料等；集流体的形态包括片、棒、网、毡、泡沫状等形状。集流体的作用主要用于生长电活性微生物膜，同时收集微生物释放的电子，并传递到外电路。
上述方法中，步骤(1)中的水凝胶是微生物相容的；其交联方法可以是物理交联，如冷冻/解冻法；也可以是化学反应交联；制备水凝胶的聚合物种类包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、淀粉、琼脂，以及它们的衍生物等可以交联形成生物相容的水凝胶的聚合物。
上述方法中，步骤(1)中，形成的水凝胶中的孔隙尺寸大于2微米，可以允许水溶液中的微生物进入水凝胶中，并提供三维空间供微生物三维增殖形成生物膜；水凝胶在集流体上的厚度为0.5～20毫米，优选1～5毫米，水凝胶的作用主要是阻碍溶解氧向厌氧微生物膜的扩散。
上述方法中，步骤(1)中，水凝胶可以是导电的，也可以是不导电的，优选导电水凝胶；导电水凝胶可以通过在水凝胶前驱体聚合物溶液中添加导电填料，如炭黑、石墨烯、碳纳米管等纳米碳材料，再经化学或物理交联制备，如聚乙烯醇/炭黑复合水凝胶。与非导电水凝胶相比，采用导电水凝胶制备的水凝胶微生物电极具有更好的性能。
上述方法中，步骤(2)中，厌氧电活性微生物的接种体是污水厂的活性污泥、池塘或湖泊的底泥、庄稼地的土壤等，及从这些接种体经电化学方法筛选出来的二次生物膜；电化学筛选二次生物膜的方法见文献【He等，BioresourceTechnology 102(2011)10763–10766】。
上述方法中，步骤(2)中，给电极施加的恒电位为-0.2～+0.2V(相对Ag/AgCl参比电极)。水凝胶电极的三维培养所用的营养液组成见文献【He等，BioresourceTechnology 102(2011)10763–10766】。
本发明还提供一种经上述方法制备的耐氧水凝胶微生物电极。该水凝胶微生物电极具有良好的耐氧性能；其在好氧条件下，如连续曝空气或氧气，表现出优异的电化学活性，产生的电流密度与其在厌氧条件(密闭或连续曝氮气)相当。该耐氧水凝胶微生物电极具有优异的耐氧性能的原因主要是水凝胶对电极内部的厌氧微生物膜的保护作用。一方面，水凝胶一定程度阻碍了溶解氧与厌氧生物膜的接触；另一方面，在好氧环境下，在水凝胶表面同时可能会生长好氧生物膜，逐渐消耗往凝胶内部扩散的溶解氧。
水凝胶微生物电极具有良好的耐氧性能；其在好氧条件下表现出优异的电化学活性，产生的电流密度与其在厌氧条件下的相当。
所述的耐氧水凝胶微生物电极主要用于微生物燃料电池的生物电极。
本发明还提供一种上述耐氧水凝胶微生物电极的应用，其特征在于，所述的耐氧水凝胶微生物电极主要用于微生物燃料电池的生物阳极。由于水凝胶微生物电极在好氧环境下可以表现出优异的电化学活性，并且性能稳定。因此基于该耐氧水凝胶微生物电极为阳极的微生物燃料电池(MFCs)将可以直接与现有的污水处理技术相融合，如活性污泥法，在保证较高的污染物去除效率的同时回收部分电能，突破了目前MFCs由于产能低和去污效率低而难以直接用于污水处理的瓶颈。因此，本发明将可极大推进MFCs的实际污水处理应用。
本发明的技术效果是：该水凝胶微生物电极具有良好的耐氧性能，其在好氧条件下表现出优异的电化学活性，产生的电流密度与其在厌氧条件下的相当。基于该耐氧水凝胶微生物电极的微生物燃料电池将可以直接与现有的污水处理技术相融合，如活性污泥，实现高效去污的同时回收电能。
附图说明
附图1.耐氧水凝胶微生物电极的结构示意图。
附图2.耐氧水凝胶电极B中的微生物膜的扫描电镜图。
附图3.水凝胶电极A的产电时间-电流曲线图，虚线之前为厌氧环境(连续曝氮气)，虚线之后为好氧环境(连续曝氧气)。箭头表示更换新的含20mmol/L醋酸钠的营养液。
附图4.耐氧水凝胶电极B和对比电极B对比的产电时间-电流曲线图，图中虚线之前为厌氧环境(连续曝氮气)，虚线之后为好氧环境(连续曝氧气)。箭头表示更换新的含20mmol/L醋酸钠的营养液。
附图5.对比电极C对比的产电时间-电流曲线图，箭之前为厌氧环境(连续曝氮气)，箭头之后为好氧环境(连续曝氧气)。箭头表示更换新的含20mmol/L醋酸钠的营养液。
附图6.以电极C为阳极的微生物燃料电池在曝氧气的条件下的阳极电位-时间曲线。箭头表示更换新的含20mmol/L醋酸钠的营养液。
具体实施方式
如图1所示，一种耐氧水凝胶微生物电极，厌氧的电极电活性微生物在水凝胶封装的电极内部三维增殖形成所述的耐氧水凝胶微生物电极；其组成结构从外到内依次为：水凝胶3、厌氧电极电活性微生物膜4和集流体2，集流体2上连接接线口1。
实施实例1：
耐氧水凝胶微生物电极，是通过下述方法制备：
(1)水凝胶电极的制备：将含有硼酸的10％聚乙烯醇溶液，通过浸入或涂刷等方法，涂覆到石墨棒集流体上，再经原位化学交联，形成凝胶厚度为2毫米的化学水凝胶电极；
(2)水凝胶电极中微生物的三维增殖：将水凝胶电极置于含有10mol/L醋酸钠、pH值为中性水溶液中，接种厌氧电极电活性微生物，采用恒电位电化学技术，在电极上施加+0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)电位，在厌氧条件下进行电化学辅助培养；微生物从溶液中迁移进入凝胶电极内部，三维增殖，产生稳定的电流，即形成所述的耐氧水凝胶微生物电极，电极记为A。
实施实例2：
(1)水凝胶电极的制备：将含有厌氧的电极电活性微生物的聚乙烯醇聚合物溶液，通过浸入或涂刷等方法，涂覆到石墨棒集流体上，再经-20℃冷冻和常温解冻进行物理交联，形成水凝胶电极；
(2)水凝胶电极中微生物的三维增殖：将水凝胶电极置于含有有机底物、pH值为中性水溶液中，采用恒电位电化学技术，在电极上施加+0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)电位，在厌氧条件下进行电化学辅助培养；微生物从溶液中迁移进入凝胶电极内部，三维增殖，产生稳定的电流，即形成所述的耐氧水凝胶微生物电极，电极记为B。附图2中的扫描电镜图片显示，微生物可以在水凝胶电极B中三维增殖，并形成较厚的微生物膜。
实施实例3：
实施实例3的操作方法与实例2相同，所不同的是，采用炭黑修饰的不锈钢网为集流体，电极记为C。
实施实例4：
实施实例4的操作方法与实例1相同，所不同的是，步骤(1)中采用含有硼酸的10％聚乙烯醇/炭黑混合溶液，炭黑与聚乙烯醇的质量比为1:1。
实施实例5：
实施实例5的操作方法与实例2相同，所不同的是，步骤(1)中采用10％聚乙烯醇/炭黑溶液，炭黑与聚乙烯醇的质量比为1:1。
实施实例6：
实施实例6的操作方法与实例2相同，所不同的是，步骤(1)中采用10％聚乙烯醇/石墨烯溶液，石墨烯与聚乙烯醇的质量比为1:1。
对比实例1
以石墨棒为电极，直接按照实例2中步骤(2)的方法在厌氧条件下培养微生物电极，记为电极B对比。
对比实例2
以炭黑修饰的不锈钢网为电极，按照实例2中步骤(2)的方法，在厌氧条件下培养微生物电极，记为电极C对比。
验证试验1
按照文献【He等，Bioresource Technology 102(2011)10763–10766】公开的方法，将实例1～5制备的水凝胶微生物电极分别作为工作电极，以pH＝7.0，50mM磷酸根缓冲溶液为媒介，以醋酸钠为底物的，采用电化学工作站的恒电位电化学技术，给工作电极施加+0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)的电势；分别记录水凝胶电极在连续曝氧气和氮气下的时间电流曲线。如附图3，4和5所示，电极A和B在氮气氛围和在氧气氛围中都可产生相当的电流密度，表明水凝胶电极A和B在连续曝氧气的条件下具有优异电化学活性；而对比电极B对比和C对比在氧气氛围中的产电电流密度出现了极大的下降，说明电极不耐氧。说明水凝胶电极A和B，具有优异的耐氧性能；
验证试验2
将实例3制备的水凝胶微生物电极C为阳极，以活性炭为催化剂的氧气还原阴极，组装无隔膜微生物燃料电池，在连续曝氧气的条件下测试水凝胶微生物阳极在全电池中耐氧性能，记录阳极电位—时间曲线；如附图5所示，水凝胶电极C在曝氧气和有底物的条件下，显示一个较负的阳极电位(相对于Ag/AgCl为-0.4V)，说明水凝胶阳极C具有优异的耐氧性能，可以作为微生物燃料电池在好氧条件下运行的生物阳极。
上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种耐氧水凝胶微生物电极，其特征在于，厌氧的电极电活性微生物在水凝胶封装的电极内部三维增殖形成所述的耐氧水凝胶微生物电极；其组成结构从外到内依次为：水凝胶、厌氧电极电活性微生物膜和集流体。
2.一种权利要求1所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，其制备方法具体为：
(1)水凝胶电极的制备：将水凝胶的前驱体溶液通过浸入或涂刷等方法，涂覆到集流体上，再经原位交联，形成水凝胶电极；
(2)水凝胶电极的三维培养：将水凝胶电极置于含有机物底物的培养液中，接种厌氧电活性微生物，并采用电化学技术给水凝胶电极施加一恒电位，在厌氧条件下进行电化学辅助培养，直到产生稳定的电流输出，即形成所述的耐氧水凝胶微生物电极。
3.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的集流体材料具有导电性和微生物相容性，其表面可以附着、生长电活性的微生物膜。
4.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的水凝胶是微生物相容的；其交联方法可以是物理交联，也可以是化学反应交联。
5.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的水凝胶可以是导电的或不导电的。
6.根据权利要求5所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，导电水凝胶主要通过在水凝胶前驱体聚合物溶液中添加导电碳纳米材料，再经化学或物理交联制备。
7.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水凝胶中的孔隙尺寸大于2微米；水凝胶在集流体上的厚度为0.5～20毫米，优选1～5毫米。
8.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，厌氧电活性微生物的接种体是污水厂的活性污泥，及从这些接种体经电化学方法筛选出来的二次生物膜。
9.根据权利要求2所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中给电极施加的恒电位相对Ag/AgCl参比电极为-0.2～+0.2V。
10.一种权利要求1中所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的应用，其特征在于，所述的耐氧水凝胶微生物电极在连续曝氧气的条件下能保持良好的电活性。
11.一种权利要求1中所述的一种耐氧水凝胶微生物电极的应用，其特征在于，所述的耐氧水凝胶微生物电极主要用于微生物燃料电池的生物阳极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610421770.2A CN105958083A (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610421770.2A CN105958083A (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105958083A true CN105958083A (zh) | 2016-09-21 |
Family
ID=56905710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610421770.2A Pending CN105958083A (zh) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105958083A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112897704A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-06-04 | 南京斯博伏特新材料有限公司 | 一种用于污水处理的水凝胶微电极 |
| US20220064035A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-03 | Sanming University | Bio-trickling filter box device capable of purifying organic wastewater and generating electricity |
| CN115477381A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-12-16 | 农业部沼气科学研究所 | 一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7943259B1 (en) * | 2006-12-18 | 2011-05-17 | University Of South Florida | Method of controlled delivery for use of electrochemical power source |
| CN102576892A (zh) * | 2009-08-07 | 2012-07-11 | 西安大略大学 | 生物燃料电池系统 |
| CN104716336A (zh) * | 2015-03-25 | 2015-06-17 | 江西师范大学 | 一种水凝胶微生物电极及其制备方法 |
| CN105140534A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-09 | 中山大学 | 一种微生物燃料电池阳极用石墨烯水凝胶复合物及其制备方法和应用 |
-
2016
- 2016-06-13 CN CN201610421770.2A patent/CN105958083A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7943259B1 (en) * | 2006-12-18 | 2011-05-17 | University Of South Florida | Method of controlled delivery for use of electrochemical power source |
| CN102576892A (zh) * | 2009-08-07 | 2012-07-11 | 西安大略大学 | 生物燃料电池系统 |
| CN104716336A (zh) * | 2015-03-25 | 2015-06-17 | 江西师范大学 | 一种水凝胶微生物电极及其制备方法 |
| CN105140534A (zh) * | 2015-08-04 | 2015-12-09 | 中山大学 | 一种微生物燃料电池阳极用石墨烯水凝胶复合物及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 王凯鹏等: "氧化还原导电水凝胶制备及其在微生物燃料电池的应用", 《电化学》 * |
| 邹立钟: "微生物燃料电池中产电微生物的电诱导驯化", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220064035A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-03 | Sanming University | Bio-trickling filter box device capable of purifying organic wastewater and generating electricity |
| US11584670B2 (en) * | 2020-09-03 | 2023-02-21 | Sanming University | Bio-trickling filter box device capable of purifying organic wastewater and generating electricity |
| CN112897704A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-06-04 | 南京斯博伏特新材料有限公司 | 一种用于污水处理的水凝胶微电极 |
| CN115477381A (zh) * | 2022-08-16 | 2022-12-16 | 农业部沼气科学研究所 | 一种耐氧多功能生物阳极制备及其污水处理方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Construction and operation of microbial fuel cell with Chlorella vulgaris biocathode for electricity generation | |
| JP5494996B2 (ja) | 微生物燃料電池用電極及びそれを用いた微生物燃料電池 | |
| Erable et al. | First air-tolerant effective stainless steel microbial anode obtained from a natural marine biofilm | |
| CN102780010A (zh) | 一种导电复合物修饰碳基材料微生物燃料电池复合阳极的制备方法 | |
| CN106915829B (zh) | 碳纤维电极及其制备方法、双极室生物电化学设备 | |
| CN105238716B (zh) | 一株摩根菌及其在微生物燃料电池中的应用 | |
| JP2013239292A (ja) | 微生物燃料電池用アノード、微生物燃料電池、微生物燃料電池用アノードの製造方法 | |
| CN103275887A (zh) | 一株鲍希瓦氏菌及其在产生物电中的应用 | |
| CN106450399A (zh) | 一种基于微生物表面共展示顺序酶的高性能淀粉/氧气燃料电池 | |
| CN107732256A (zh) | 一种利用农业废弃物制备mfc电极材料及其电化学性能 | |
| CN105958083A (zh) | 一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用 | |
| Sarma et al. | A novel three-chamber modular PMFC with bentonite/flyash based clay membrane and oxygen reducing biocathode for long term sustainable bioelectricity generation | |
| CN103972514A (zh) | 一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极及其制备方法与用途 | |
| CN109378508A (zh) | 一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池及其使用方法 | |
| Wang et al. | Electric power generation from treatment of food waste leachate using microbial fuel cell | |
| Yahya et al. | Green electricity production by Epipremnum Aureum and bacteria in plant microbial fuel cell | |
| CN104716336A (zh) | 一种水凝胶微生物电极及其制备方法 | |
| Vishnevskaya et al. | Membraneless microbial biofuel cell for municipal waste water treatment | |
| CN209537276U (zh) | 一种光电催化微生物电解池装置 | |
| CN108565482B (zh) | 一种富集沉积物中导电微生物的装置及方法 | |
| CN206742400U (zh) | 一种利用湿地底泥进行原位产电的电池 | |
| Zawadzki et al. | A novel microbial fuel cell with exchangable membrane–application of additive manufacturing technology for device fabrication | |
| CN215712495U (zh) | 一种基于模板固定的smfc底泥修复装置 | |
| Yuan et al. | Optimization of biodrying pretreatment of municipal solid waste and microbial fuel cell treatment of leachate | |
| Singh et al. | Bioelectricity production from various feedstocks using pure strain of Bacillus firmus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160921 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |