CN112875840A - 一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用及除多环芳烃方法 - Google Patents

一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用及除多环芳烃方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用及除多环芳烃方法，通过对微生物电化学系统的阳极修饰聚苯胺并负载石墨烯提高对石油废水中多环芳烃萘的去除效果，首先在三电极系统中施加一定电位使得苯胺在空白石墨棒上成核，之后加入石墨烯对空白石墨棒进行循环伏安法扫描，得到修饰电极，使用修饰的电极在电化学反应器中进行具有电活性的降解微生物膜培养，采用1g/L的乙酸钠作为碳源，培养成熟的具有电活性的降解微生物膜对含有萘的溶液进行处理。本发明的优点是修饰电极实现降解性微生物的快速富集，进而实现对多环芳烃的高效去除，为微生物电化学技术在水污染处理领域的应用提供一个新的方法。

Description

一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用及除多环芳 烃方法
技术领域
本发明属于微生物电化学技术水处理领域，特别涉及一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用及除多环芳烃方法。
背景技术
随着煤和石油在工业生产、交通运输以及生活中的大量开采和使用，产生的多环芳烃 (Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)成为了被广泛关注的有机污染物。多环芳烃指含有2个或2个以上苯环结构的有机化合物，包括萘、蒽、菲、芘等150余种物质，主要来源于煤和石油燃烧、废弃物焚化和机动车辆尾气排放等。PAHs是一类具有“三致”作用的有机污染物，其高稳定性、强疏水性和难降解性使其在环境中呈不断累积的趋势，PAHs具有毒性高、致癌致畸性强和持久性污染的特征，会对生态环境和公众健康造成严重危害。所以多环芳烃污染成为了亟待解决的环境问题。萘是一种常见的双环芳香烃化合物,是多环芳烃中水溶性和挥发性最强的一种。
目前废水中多环芳烃萘的去除方法依据其应用原理的不同可以划分为物理修复、化学修复以及生物修复。物理方法是通过物理作用对多环芳烃萘进行分离，在处理过程中不改变污染物的化学性质。常用的物理法包括吸附法、膜分离法等。但是存在的缺点是不能彻底降解 PAHs，吸附效率低，分离困难等问题；化学方法包括催化氧化、光催化、化学氧化，湿式氧化法和超临界水氧化法等。化学方法虽然能有效降解PAHs，但同时存在二次污染和高能耗等问题，生物法是通过向废水中加入能降解多环芳烃的微生物，利用微生物的新陈代谢作用对废水中的污染物进行降解。生物方法具有经济、高效、二次污染少等优势，但是生物法在处理过程中微生物对于营养物质、pH、温度等条件要求高，难以适应多环芳烃废水成分复杂、水质波动大、毒性高的特点。因此，研究绿色可持续发展的降解方法尤为重要。
生物电化学系统作为一种成本低、操作简便新兴的技术，对水体中的多环芳烃具有较好的降解效果，该技术以电活性微生物为核心，通过氧化还原反应，将水体中的污染物转化成 CO2，H2O以及其他有价值的小分子物质。生物电化学系统对污染物降解能力与电活性微生物的氧化还原活性密切相关，然而，由于产电微生物和电极间以胞外电子传递的方式进行电子转移，其转移率较低,因而性能受到很大的限制。在体系整个反应过程中，产电微生物与电极之间的电子传递是反应发生的关键一步，因此电极修饰成为提高微生物电化学系统对污染物的降解性能最直接、最普遍、最简单的方法。
发明内容
本发明目的是解决现有微生物电化学技术存在的电子转移效率低、电活性微生物以及降解性微生物在电极上富集效果差的问题，提供一种利用修饰电极的方法以实现微生物的快速富集以及电子的高效传递，进而实现水体中多环芳烃萘高效快速降解。
本发明的技术方案是一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用，去除多环芳烃。
本发明的第二个技术方案是一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃应用方法，包括如下步骤：
1)具有电活性的降解微生物膜的培养
加入溶液为石油废水与磷酸缓冲溶液的混合液体，加入乙酸钠1g/L作为碳源，采用计时电流法进行具有电活性的降解微生物膜的富集培养，运行5–10天以形成具有厚度为80-90μm的降解微生物膜；
2)微生物电化学技术对水体中多环芳烃萘降解效果的检测与计算
微生物膜成熟之后，向反应器中加入200mg/L的多环芳烃萘溶液，在不同的时间点进行取样，用离心机以10000–12000rpm/min转速对样品进行离心5–10min，将上清液过滤膜除去杂质，采用固相萃取(SPE)–气相色谱–质谱联用方法(GC-MS)对水体中的多环芳烃萘进行测定。
所述石油废水与磷酸缓冲溶液的混合体积比例为2–1:1。
所述多环芳烃萘的添加，需要在溶液中同步加入1g/L的乙酸钠以提供碳源。
本发明的优点和有益效果：
本发明和现有技术相比，通过修饰电极，促进了系统中微生物在电极表面成膜，缩短启动时间，强化电子传递，为加速反应器启动以及提高微生物电化学系统高效处理多环芳烃萘染料污染水体提供了新方法。
附图说明
图1是实施例1、对比例1和对比例2的时间-电流图像。
图2是实施例1、对比例1和对比例2的多环芳烃萘去除率随时间变化的图像。
图3是实施例1、对比例1和对比例2的剩余多环芳烃萘浓度随时间变化的图像。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
设置使用聚苯胺和石墨烯修饰电极的微生物电化学系统对水体中多环芳烃萘进行降解的实验组PG+ME
1)石墨棒电极的修饰
电化学反应器为直径5cm、高5cm的包括石墨棒工作电极、铂片对电极和Ag/AgCl参比电极的三电极系统，在反应器中加入100mL蒸馏水，0.8％浓硫酸，4.0mL苯胺溶液，1500rpm/min高速搅拌10min使苯胺均匀分散在溶液中。使苯胺均匀分散在溶液中。使用电化学工作站施加0.8V电位100s，之后加入0.03g石墨烯进行循环伏安法扫描，扫描速度为0.05V/s，扫描电位范围为-0.3–1.2V，最后将修饰的电极在25℃温度下干燥；
2)具有电活性的降解微生物膜的培养
使用与步骤1)相同的电化学反应器，向其中加入溶液为石油废水与磷酸缓冲溶液1:1 的混合液体，加入乙酸钠1g/L作为碳源，采用计时电流法进行具有电活性的降解微生物膜的富集培养，运行5–10天以形成具有厚度为80-90μm的降解微生物膜；
3)修饰电极的生物电化学系统对水体中多环芳烃萘降解效果的检测与计算
微生物膜成熟之后，向电活性反应器中加入200mg/L的多环芳烃萘溶液和1g/L的乙酸钠，在不同的时间点(12、24、36、48、60、72、84h)进行取样，用离心机对样品进行离心5分钟，转速为10000rpm；将上清液过0.45μm滤膜除去杂质，采用固相萃取(SPE)–气相色谱–质谱联用方法(GC-MS)对水体中的多环芳烃萘进行测定。
对比例1
设置仅修饰聚苯胺的石墨棒电极作为对照组P+ME：
1)石墨棒电极的修饰
电化学反应器为直径5cm、高5cm的包括石墨棒工作电极、铂片对电极和Ag/AgCl参比电极的三电极系统，在反应器中加入100mL蒸馏水，0.8％浓硫酸，4.0mL苯胺溶液，1500rpm/min高速搅拌10min使苯胺均匀分散在溶液中。使苯胺均匀分散在溶液中。使用电化学工作站施加0.8V电位100s，之后进行循环伏安法扫描，扫描速度为0.05V/s，扫描电位范围为-0.3–1.2V，最后将修饰的电极在25℃温度下干燥；
2)具有电活性的降解微生物膜的培养
使用与步骤1)相同的电化学反应器，向其中加入溶液为多环芳烃萘染料厂污水与磷酸缓冲溶液1:1的混合液体，加入乙酸钠1g/L作为碳源，采用计时电流法进行具有电活性的降解微生物膜的富集培养，运行8天以形成具有厚度为80-90μm的降解微生物膜；
3)修饰电极的生物电化学系统对水体中多环芳烃萘降解效果的检测与计算
微生物膜成熟之后，向电活性反应器中加入200mg/L的多环芳烃萘溶液和1g/L的乙酸钠，在不同的时间点(12、24、36、48、60、72、84h)进行取样，用离心机对样品进行离心5分钟，转速为10000rpm；将上清液过0.45μm滤膜除去杂质，采用固相萃取(SPE)–气相色谱–质谱联用方法(GC-MS)对水体中的多环芳烃萘进行测定。
对比例2
设置使用未处理的石墨棒作为对照组ME：
1)具有电活性的降解微生物膜的培养
使用与步骤1)相同的电化学反应器，向其中加入溶液为多环芳烃萘染料厂污水与磷酸缓冲溶液1:1的混合液体，加入乙酸钠1g/L作为碳源，采用计时电流法进行具有电活性的降解微生物膜的富集培养，运行8天以形成具有厚度为80-90μm的降解微生物膜；
2)修饰电极的生物电化学系统对水体中多环芳烃萘降解效果的检测与计算
微生物膜成熟之后，向电活性反应器中加入200mg/L的多环芳烃萘溶液和1g/L的乙酸钠，在不同的时间点(12、24、36、48、60、72、84h)进行取样，用离心机对样品进行离心5分钟，转速为10000rpm；将上清液过0.45μm滤膜除去杂质，采用固相萃取(SPE)–气相色谱–质谱联用方法(GC-MS)对水体中的多环芳烃萘进行测定。
测试例1：聚苯胺和石墨烯修饰电极的微生物电化学系统电流变化情况：
实施例1(PG+ME组)与对比例1(P+ME组)和对比例2(ME组)中的电流产出采用恒电位仪实时采集。电化学反应器两端的电流通过连接在电脑上的恒电位仪每100s进行采集记录 1次，并由电脑进行自动记录和保存，之后进行绘图(图1)，图中实线的为PG+ME组的电流，虚线为ME组的电流，剩下为P+ME组的电流。
根据图1，在加入多环芳烃萘之前，三组均在67h左右出现第一次峰值电流，而PG+ME 组的电流则达到了2.11mA左右，分别是P+ME组和ME组的1.5倍和1.1倍。系统中电流产生主要是阳极附近微生物的代谢活动产生，并由产电微生物将电子导出到电极；电流的增加表明产电微生物易富集在修饰后的石墨棒上。
测试例2：聚苯胺和石墨烯修饰电极的微生物电化学系统多环芳烃萘去除情况：
将实施例1与对比例2～3修复不同时间(12、24、36、48、60、72、84h)的多环芳烃萘溶液；用离心机对样品进行离心3分钟，转速为10000rpm；将上清液过0.45μm滤膜除去杂质，采用固相萃取(SPE)–气相色谱–质谱联用方法(GC-MS)对水体中的多环芳烃萘进行测定。得到实施例1与对比例2～3各样品点的多环芳烃萘浓度(图2)，得到多环芳烃萘的去除率并绘图(图3)。
根据图3，经过84h的修复，实施例1与对比例2～3反应器中多环芳烃萘的去除量表现为PG+ME>ME>P+ME，表明在使用修饰了聚苯胺和石墨烯的微生物电化学系统中对溶液中多环芳烃萘的去除达到了最优的效果，多环芳烃萘的去除率达到94％；P+ME相对于ME组，多环芳烃萘的去除率降低了，这表明修饰电极对于多环芳烃萘的去除率更多的是聚苯胺和石墨烯的联合作用；此外，PG+ME组对多环芳烃萘的去除率在第60个小时的时候就达到了最大，此时P+ME组和ME组的去除率仅为72％和74％，这说明聚苯胺和石墨烯的量和作用进一步促进了系统中的电子转移，从而加速了水体中多环芳烃萘的去除。
以上所述的实施例是本发明的优选方式，需要注意，在不脱离本发明所述原理的情况下所做的一切改进和润饰，都属于本发明保护的范畴。

Claims (6)

1.一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器应用，除多环芳烃。
2.一种诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)具有电活性的降解微生物膜的培养
加入溶液为石油废水与磷酸缓冲溶液的混合液体，加入碳源，采用计时电流法进行具有电活性的降解微生物膜的富集培养，运行以形成具有厚度为80-90μm的降解微生物膜；
2)微生物电化学技术对水体中多环芳烃萘降解效果的检测与计算
微生物膜成熟之后，向反应器中加入200mg/L的多环芳烃萘溶液，在不同的时间点进行取样，用离心机以10000–12000rpm/min转速对样品进行离心5–10min，将上清液过滤膜除去杂质，采用固相萃取–气相色谱–质谱联用方法对水体中的多环芳烃萘进行测定。
3.根据权利要求2所述的诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃方法，其特征在于，所述石油废水与磷酸缓冲溶液的混合体积比例为2–1:1。
4.根据权利要求2所述的诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃方法，其特征在于，选用乙酸钠作为碳源，1g/L。
5.根据权利要求2所述的诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃方法，其特征在于，所述步骤1)中运行5–10天。
6.根据权利要求2所述的诱导聚苯胺负载石墨烯修饰电极反应器除多环芳烃方法，其特征在于，所述步骤2)中多环芳烃萘的添加，需要在溶液中同步加入1g/L的乙酸钠以提供碳源。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115594289A (zh) * 2022-09-30 2023-01-13 南开大学（Cn） 一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法
CN116062907A (zh) * 2023-02-09 2023-05-05 中国科学院南京土壤研究所 一种水体中PAHs的微生物降解净化方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106645348A (zh) * 2016-12-23 2017-05-10 南开大学 一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106645348A (zh) * 2016-12-23 2017-05-10 南开大学 一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
何海波: "("GR/PANI复合膜阳极的制备及其在MFC中的应用"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
何海波: ""GR/PANI复合膜阳极的制备及其在MFC中的应用"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115594289A (zh) * 2022-09-30 2023-01-13 南开大学（Cn） 一种采用低浓度碳源培养驯化电活性降解微生物膜的方法、一种石化废水的处理方法
CN116062907A (zh) * 2023-02-09 2023-05-05 中国科学院南京土壤研究所 一种水体中PAHs的微生物降解净化方法

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