一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建和运行方法技术方案

一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建和运行方法，属于微生物电化学的技术领域。本发明专利技术要解决现有微生物电化学系统产能与水处理能力不高的问题。构建方法：步骤a、氮气环境下，对磁铁进行不同温度的退磁处理，得到磁铁电极；步骤b、以导电炭黑和PTFE乳液为原料，采用辊压机压制后再辊压到不锈钢网的一侧，煅烧；步骤c、以活性炭和PTFE乳液为原料，采用辊压机压制，压到不锈钢网的另一侧，得到空气阴极；步骤d、组装后密封，即完成构建。运行方法：向微生物电化学系统内注入反应介质，在室温的环境中通过导线上的电阻收集电能，即完成了运行。本发明专利技术中磁场促进了阳极产电微生物的富集，从而提高MFC的产电性能和水处理特性。

【技术实现步骤摘要】
一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建和运行方法
本专利技术属于微生物电化学的
；具体涉及一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建和运行方法。
技术介绍
随着环境污染与能源短缺问题的日益突出，对清洁、可再生能源的开发和利用更加迫切。微生物电化学技术将生物处理与电化学过程相结合，在分解废物中的有机物的同时能够获取清洁能源。微生物电化学技术打破了传统有机废水处理的方式，成为解决能源危机与环境污染最有前景的技术之一，已广泛应用于能源生产、环境修复、电合成及传感器等领域。但低效的产能限制了其工业化应用，目前主要通过改变电池结构，优化电极材料等方法促进其功率输出。磁铁材料由于自带磁场、造价低、导电性强、可塑性好等优势，可作为电极材料应用于微生物电化学系统。同时现有研究对于磁场强化微生物电化学系统产能的作用机制仍不明确，对阳极的关键反应--阳极电子传递过程与磁场作用之间的内在关联缺乏认识。
技术实现思路
本专利技术目的是要解决现有微生物电化学系统产能与水处理能力不高的问题，探究磁场对微生物电化学系统群落结构影响，从而提供了一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建和运行方法。为解决现有技术问题，本专利技术中一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，是按下述步骤完成的：步骤a、在氮气气氛下，对磁铁进行不同温度的退磁处理，得到不同磁场强度的磁铁电极；步骤b、将无水乙醇加入导电炭黑中，超声搅拌下混合均匀，然后加入PTFE乳液，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到气体扩散膜，再将气体扩散膜辊压到不锈钢网的一侧，煅烧；步骤c、向活性炭中加入无水乙醇，超声搅拌下混合均匀，然后加入聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到催化膜，再将催化膜辊压到步骤b所述的不锈钢网的另一侧，得到空气阴极；步骤d、以步骤a获得磁铁电极作为阳极，以步骤a获得磁铁电极或步骤c获得空气阴极作为阴极，将阳极和阴极安装在微生物电化学系统反应器的两侧，然后用导线将阳极和空气阴极与外电阻的两端连接在一起，用防水胶密封，即完成了以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建。进一步限定，步骤a所述磁铁的厚度为1～3mm。进一步限定，步骤a退磁处理的温度控制在0～400℃，退磁处理的时间控制在20～30分钟。进一步限定，步骤b中炭黑与PTFE乳液的质量比为1：(2～5)，炭黑与无水乙醇的质量比为1:(12～20)。进一步限定，步骤c中活性炭与PTFE的质量比为(4～7)：1，活性炭与PTFE乳液的质量比为1：(5～8)。进一步限定，步骤c所述不锈钢网为40目～200目不锈钢网。进一步限定，步骤d中所使用的外电阻为50～3000Ω电阻。进一步限定，步骤b中压制获得气体扩散膜的厚度为0.3～0.8mm。进一步限定，步骤c中压制获得催化膜的厚度为0.3～0.8mm。上述以磁铁为电极的微生物电化学系统的运行方法是按下述步骤进行的：向微生物电化学系统内注入反应介质，在室温的环境中通过导线上的电阻收集电能，即完成了以磁铁为电极的微生物电化学系统的运行。所述反应介质是按每升去离子水中加入1～2g的乙酸钠、11.5～46gNa2HPO4·12H2O、2.77～11.08gNaH2PO4·2H2O、0.31～1.24gNH4Cl、0.13～0.52gKCl、10mL的微量元素和10mL的矿质元素配制的。本专利技术通过构建以磁铁为电极的微生物电化学系统,探究磁铁电极及不同的磁场强度对微生物燃料电池产电和阳极生物群落结构的影响。进一步探索磁场对微生物电化学系统的作用机制，对拓展磁效应强化微生物电化学技术具有重要的理论和现实意义。本专利技术以磁铁为电极的微生物燃料电池(MFC)均在9天左右成功启动。阳极磁铁有磁性的MFC的输出电压远高于阳极磁铁没有磁性的MFC(180mV)，且阳极磁铁磁场强度为80mT的输出电压最高(345mV)，其次为20mT(318mV)和160mT(298mV)。MFC在磁铁磁场强度为80mT下得到最高的功率密度(0.57W/m2)，数值是磁铁无磁场的MFC的两倍。COD去除率随着磁场强度的加强而提高，说明磁场促进底物的降解。基于IIluminaHiSep测序平台对阳极体系中的微生物16SrRNA基因进行测序表明，磁场强度为80mT下产电菌Geobacter的相对丰度最高，高达73％。表明磁场促进了阳极产电微生物的富集，从而提高MFC的产电性能和水处理特性。说明磁铁所带有的磁场强化了微生物电化学系统的性能，对其扩大生产与应用具有重要的理论和现实意义。附图说明图1为本专利技术磁铁为电极的微生物燃料电池的结构示意图；1-反应器外壳，2-进水口，3-出水口，4-电阻，5-导线，6-不锈钢网空气阴极，7-磁铁阳极。具体实施方式具体实施方式一：一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，是由按下述步骤完成的：步骤a、将直径为35mm和厚度为2mm磁铁至于管式炉中，在氮气气氛下，设置温度为0、100、200和400℃进行退磁处理，热处理的时间为30分钟，从而得到磁场强度分别为160、80、20、和0mT的磁铁，将其作为微生物电化学系统的阳极；步骤二、将8g导电炭黑置于烧杯中，向烧杯里加入160mL无水乙醇，然后用超声清洗仪超声10分钟，使其混合均匀，接着向烧杯里加入16mLPTFE乳液(1.5g/mL)，然后将烧杯置于90℃恒温水浴中继续超声搅拌，直到混合物中乙醇挥发得到膏状的混合物，将得到的混合物用辊压机压成厚度为0.6mm的气体扩散膜，将得到的气体扩散膜辊压到60目的不锈钢网的一侧，然后置于马弗炉中，350℃条件下煅烧25分钟，得到阴极气体扩散层；步骤三、将12g的活性炭粉末置于烧杯中，向烧杯里加入90mL无水乙醇，然后用超声清洗仪超声10分钟，使其混合均匀，接着向烧杯里加入2.4mLPTFE乳液，然后将烧杯置于90℃恒温水浴中继续超声搅拌，直到混合物中乙醇挥发得到膏状的混合物，将得到的混合物用辊压机压成厚度为0.6mm的催化膜，将得到的催化膜辊压到阴极气体扩散层的不锈钢网的另一侧，得到完整的微生物燃料电池的空气阴极；步骤四、构建不同磁场强度的磁铁电极，将得到的不同磁场强度的磁铁作为阳极与空气阴极分别置于微生物燃料电池反应器的两侧，然后用导线将阳极、1000Ω电阻及阴极连接在一起(见图1)，用防水胶将反应器密封.上述以磁铁为电极的微生物电化学系统的运行方法是按下述步骤进行的：向微生物电化学系统内注入反应介质，在25℃的环境中通过导线上的电阻收集电能，即完成了以磁铁为电极的微生物电化学系统的运行；其中，所述反应介质是按每升去离子水中加入2g/L乙酸钠、23.1gNa2HPO4·12H2O、5.54gNaH2PO4·2H2O、0.62gNH4Cl、0.26gKCl、10mL/L的微量元素和10mL/L的矿质元素配制的。本实施方式的反应器的长×宽×高＝4×4×4，监测电阻两端的电压降至50mV以下则对反应器进行换水。对比实施例为阳极磁铁磁场强度为0mT，即无磁场。本专利技术以磁铁为电极的微生物燃料电池(MFC)系统均在9天左右成功启动。阳极有磁性的MFC的输出电压远高于阳极没本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，其特征在于所述的构建方法是按下述步骤完成的：步骤a、在氮气气体环境下，对磁铁进行不同温度的退磁处理，得到不同磁场强度的磁铁电极；步骤b、将无水乙醇加入导电炭黑中，超声搅拌下混合均匀，然后加入PTFE乳液，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到气体扩散膜，再将气体扩散膜辊压到不锈钢网的一侧，煅烧；步骤c、向活性炭中加入无水乙醇，超声搅拌下混合均匀，然后加入PTFE乳液，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到催化膜，再将催化膜辊压到步骤b所述的不锈钢网的另一侧，得到空气阴极；步骤d、以步骤a获得磁铁电极作为阳极，以步骤a获得磁铁电极或步骤c获得空气阴极作为阴极，将阳极和阴极安装在微生物电化学系统反应器的两侧，然后用导线将阳极和阴极与外电阻的两端连接在一起，用防水胶密封，即完成了以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建。

【技术特征摘要】
1.一种以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，其特征在于所述的构建方法是按下述步骤完成的：步骤a、在氮气气体环境下，对磁铁进行不同温度的退磁处理，得到不同磁场强度的磁铁电极；步骤b、将无水乙醇加入导电炭黑中，超声搅拌下混合均匀，然后加入PTFE乳液，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到气体扩散膜，再将气体扩散膜辊压到不锈钢网的一侧，煅烧；步骤c、向活性炭中加入无水乙醇，超声搅拌下混合均匀，然后加入PTFE乳液，恒温水浴加热继续超声搅拌至无水乙醇完全挥发，得到膏状混合物，尔后用辊压机压制，得到催化膜，再将催化膜辊压到步骤b所述的不锈钢网的另一侧，得到空气阴极；步骤d、以步骤a获得磁铁电极作为阳极，以步骤a获得磁铁电极或步骤c获得空气阴极作为阴极，将阳极和阴极安装在微生物电化学系统反应器的两侧，然后用导线将阳极和阴极与外电阻的两端连接在一起，用防水胶密封，即完成了以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建。2.根据权利要求1所述的以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，其特征在于步骤a所述磁铁的厚度为1～3mm。3.根据权利要求1所述的以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，其特征在于步骤a退磁处理的温度控制在0～400℃，退磁处理的时间控制在20～30分钟。4.根据权利要求1所述的以磁铁为电极的微生物电化学系统的构建方法，其特征在于步骤b中炭黑与PTF...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢德峰，周慧慧，杨洋，娄宇，马冬梅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23