CN112447985B - 一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于污废水生物脱氮处理的固定微生物菌群的微生物燃料电池电极的制备方法，属于污废水处理领域。在典型双室反硝化微生物燃料电池中，通过微生物固定化技术将产电微生物细菌固定在微生物燃料电池阳极，将反硝化细菌固定在微生物燃料电池阴极，并在阴极菌群固定化过程中添加蒙脱石粉末和三氯化铁溶液。本发明制备的微生物燃料电池电极上的菌群与电极结合牢固，耐水质冲击负荷能力强，生物电化学性能较高，阳极产电稳定，阴极反硝化性能较高。该制备方法操作简单，所得电极可稳定使用，能实现在典型双室反硝化微生物燃料电池中对污废水的深度脱氮处理，具有较大应用前景。

Description

一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极制备方法
技术领域
本发明属于污废水处理领域，特别涉及一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极的制备方法。
背景技术
微生物燃料电池是用微生物催化的电化学系统，在典型双室微生物燃料电池系统中，聚集在阳极表面的一些特殊微生物在厌氧条件下可以氧化降解有机物并产生氢质子和电子，氢质子和电子分别通过自由扩散作用和外电路电子传递作用到达阴极，和阴极表面的电子受体发生氧化还原反应，从而完成产电及电子利用过程。因电子在阴极可以与氧气或含硫化合物、含氮化合物等电子受体发生氧化还原反应，降解水体中的硫酸盐、硝酸盐等物质，实现污水处理的效果，已成为一种新型的生物污废水处理技术。
微生物燃料电池污废水处理效率与电极上菌群的活性、生物量有关，通常电极上的微生物是通过自然富集后附着在电极表面，电极上微生物数量较少，生物量较低，同时微生物与电极结合不牢固，阳极产电微生物易受水力负荷的冲击导致产电不稳定，阴极有用微生物极易流失而影响微生物燃料电池的污废水处理效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种固定微生物燃料电池电极上菌群的方法，解决微生物燃料电池电极上菌群与电极结合不牢固的问题，该方法在微生物燃料电池阳极上固定产电微生物菌群，阴极固定反硝化细菌菌群，提高双室反硝化微生物燃料电池的反硝化性能。该方法操作简单、易大规模推广应用，得到的电极生物量大，细菌与电极结合牢固，产电稳定，抗水力负荷冲击能力强，能实现反硝化微生物燃料电池对污废水的深度脱氮处理，具有较大应用前景。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极的制备方法，在典型双室反硝化微生物燃料电池中，使用碳毡作为电极主体，使用铜线作为导线，通过微生物固定化技术将产电菌固定在微生物燃料电池碳毡阳极上，将反硝化细菌固定在微生物燃料电池碳毡阴极上，并在阴极菌群固定化过程中添加蒙脱石粉末和三氯化铁溶液以提高阴极反硝化性能。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极的制备方法，使用碳毡作为电极主体材料(碳毡厚0.5cm)，使用铜线作为导线(直径1mm)，使用高分子聚氨酯水凝胶作为微生物固定化反应的载体，使用培养的高活性产电菌菌悬液和反硝化菌菌悬液分别作为阳极和阴极固定化的菌种，使用过硫酸钾溶液和四甲基乙二胺溶液分别作为固定化反应的引发剂和催化剂，使用蒙脱石粉末和三氯化铁溶液作为阴极固定化反应的添加剂。
作为优选技术方案，本发明所述的微生物燃料电池电极制备方法，其制备过程包括固定微生物的阳极电极制备、固定微生物的阴极电极制备。
S1固定微生物的阳极电极制备
将经酸碱预处理并冲洗干净的碳毡裁剪为合适尺寸，把铜线穿入碳毡中，使铜线在碳毡中呈盘旋状存在。将产电菌溶液、聚氨酯水凝胶、蒸馏水在烧杯中混匀，浸入碳毡，加入过硫酸钾溶液和四甲基乙二胺溶液，引发固定化反应，待碳毡表面形成凝胶后，将碳毡表面多余凝胶切掉，即得到固定产电菌的微生物燃料电池阳极电极。
进一步地，S1中阳极固定化载体中产电细菌溶液用量与碳毡电极的体积比为2:1；聚氨酯水凝胶与碳毡电极的体积比为1:0.833；蒸馏水与碳毡电极的体积比为1:0.227；过硫酸钾与碳毡电极的质量体积比为1:4.167；四甲基乙二胺与碳毡电极的体积比为1:6.25。
S2固定微生物的阴极电极制备
将经酸碱预处理并冲洗干净的碳毡裁为合适尺寸，把铜线穿入碳毡中，使铜线在碳毡中呈盘旋状存在。将反硝化细菌溶液、聚氨酯水凝胶、蒸馏水、蒙脱石粉末和三氯化铁溶液在烧杯中混匀，浸入碳毡，加入过硫酸钾溶液和四甲基乙二胺溶液，引发固定化反应，待碳毡表面形成凝胶后，将碳毡表面多余凝胶切掉，即得到固定反硝化细菌的微生物燃料电池阴极。
进一步地，S2中阴极固定化载体中反硝化细菌溶液用量与碳毡电极的体积比为2:1；聚氨酯水凝胶与碳毡电极的体积比为1:0.833；蒸馏水与碳毡电极的体积比为1:0.236；过硫酸钾溶液与碳毡电极的体积比为1:4.167；四甲基乙二胺溶液与碳毡电极的体积比为1:6.25,蒙脱石粉末与碳毡电极的质量体积比为1:12.5，三氯化铁溶液与碳毡电极的体积比为1:12.5。
本发明的原理是：
在典型双室反硝化微生物燃料电池中，通过使用微生物固定化技术，将微生物细胞固定在微生物燃料电池的电极上，解决微生物燃料电池电极上菌群与电极结合不牢固的问题，以提高微生物燃料电池的污废水处理性能。微生物固定化技术通过使用化学或物理手段，将微生物细胞限制在一定空间并保持生物活性，本发明使用高分子聚氨酯水凝胶作为微生物固定化的载体，将培养的高活性产电菌菌悬液和反硝化细菌菌悬液分别固定在微生物燃料电池的阳极和阴极上。微生物细胞固定在电极上后，细菌与电极结合更牢固，阳极产电更稳定，阴极耐水质冲击负荷能力更强，细菌不易流失，从而提高了微生物燃料电池的整体性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明在微生物燃料电池的电极上固定微生物，细菌与电极结合牢固，增加了电极上的生物量，制备的电极具有较高的生物电化学性能，阳极产电稳定，阴极反硝化性能高，能提高反硝化微生物燃料电池对污废水的处理性能。
2.通过本发明方法制备的微生物燃料电池电极的机械强度较高、能承受较高的水力负荷冲击，且固定化载体不易破碎，使用寿命长，制备成本低。
3.本发明电极固定化制备过程用时短、操作简单，该方法易大规模推广应用，具有较大的经济价值及良好的应用前景。
附图说明
图1固定微生物的微生物燃料电池电极的实体照片。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
S1固定微生物的阳极电极制备
将经酸碱预处理并冲洗干净的5mm厚的碳毡裁为5x5cm，把铜线穿入碳毡中，使铜线在碳毡中呈盘旋状存在。将25mL产电菌溶液、15mL聚氨酯水凝胶、55mL蒸馏水在烧杯中混匀，浸入碳毡，加入3g过硫酸钾溶液和2mL四甲基乙二胺溶液，引发固定化反应，待碳毡表面形成凝胶后，将碳毡表面多余凝胶切掉，即得到固定产电菌的微生物燃料电池阳极电极。
S2固定微生物的阴极电极制备
将经酸碱预处理并冲洗干净的5mm厚的碳毡裁为5x5cm，把铜线穿入碳毡中，使铜线在碳毡中呈盘旋状存在。将25mL反硝化细菌溶液、15mL聚氨酯水凝胶、53mL蒸馏水、1g蒙脱石粉末和1mL三氯化铁溶液在烧杯中混匀，浸入碳毡，加入3mL过硫酸钾溶液和2mL四甲基乙二胺溶液，引发固定化反应，待碳毡表面形成凝胶后，将碳毡表面多余凝胶切掉，即得到固定反硝化细菌的微生物燃料电池阴极。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品中各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (3)

1.一种固定微生物菌群的微生物燃料电池电极制备方法，其特征在于，在双室反硝化微生物燃料电池中，使用碳毡作为电极主体，使用铜线作为导线，通过微生物固定化技术将产电菌细胞固定在微生物燃料电池碳毡阳极上，将反硝化细菌细胞固定在微生物燃料电池碳毡阴极上，并在阴极菌群固定化过程中添加蒙脱石粉末和三氯化铁溶液以提高阴极反硝化细菌的性能；
使用碳毡作为电极主体材料，使用铜线作为导线，使用高分子聚氨酯水凝胶作为微生物固定化反应的载体，使用培养的高活性产电菌菌悬液和反硝化细菌菌悬液分别作为阳极和阴极固定化的接种细菌，使用过硫酸钾溶液和四甲基乙二胺溶液分别作为引发固定化反应的引发剂和催化剂，使用蒙脱石粉末和三氯化铁溶液作为阴极固定化反应的添加剂；
所用碳毡厚5毫米，使用前裁剪为合适尺寸，经酸碱浸泡并用超纯水冲洗干净，所用导线为直径1毫米的纯铜电线，阳极所用菌悬液为培养的高活性厌氧产电细菌菌悬液，阴极所用菌悬液为培养的高活性反硝化细菌菌悬液，蒙脱石为阳离子蒙脱石；
阴极固定化载体中反硝化细菌溶液用量与碳毡电极的体积比为2:1；聚氨酯水凝胶与碳毡电极的体积比为1：0.833；蒸馏水与碳毡电极的体积比为1:0.236；过硫酸钾溶液与碳毡电极的体积比为1:4.167；四甲基乙二胺溶液与碳毡电极的体积比为1:6.25, 蒙脱石粉末与碳毡电极的质量体积比为1:12.5，三氯化铁溶液与碳毡电极的体积比为1:12.5；
阳极固定化载体中产电细菌溶液用量与碳毡电极的体积比为2:1；聚氨酯水凝胶与碳毡电极的体积比为1:0.833；蒸馏水与碳毡电极的体积比为1:0.227；过硫酸钾与碳毡电极的质量体积比为1:4.167；四甲基乙二胺溶液与碳毡电极的体积比为1:6.25。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备固定化微生物电极的步骤为：将碳毡裁剪为合适尺寸，把铜线穿入碳毡中，使铜线在碳毡中呈盘旋状存在；将反硝化细菌溶液、聚氨酯水凝胶、蒸馏水、蒙脱石粉末和三氯化铁溶液在烧杯中混匀，浸入碳毡，加入过硫酸钾溶液和四甲基乙二胺溶液，引发固定化反应，待碳毡表面形成凝胶后，将碳毡表面凝胶切割为合适尺寸，即得到固定反硝化细菌的微生物燃料电池阴极。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备的微生物燃料电池电极，用于双室反硝化微生物燃料电池污废水生物反硝化过程中。
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