一种耐氧水凝胶微生物电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

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
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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，Bioresource Technology 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，Bioresource Technology 102(2011)10763–10766】。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术将可极大推进MFCs的实际污水处理应用。本专利技术的技术效果是：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。具体实施方式如本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈水亮，李明，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西;36