一种电解快速驯化生物阳极的方法技术

本发明专利技术涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，属于微生物电化学技术领域。本发明专利技术采用两阶段电压驯化周期(初始驯化周期和稳定驯化周期)的方法，利用电解电流监控反馈生物阳极活性，并通过快速置换阳极培养液维持生物阳极产电活性持续增长，可以实现在初始驯化周期和稳定驯化周期两个阶段，例如6～10个驯化周期内快速得到高产电活性的生物阳极。

【技术实现步骤摘要】
一种电解快速驯化生物阳极的方法
本专利技术涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，属于微生物电化学

技术介绍
微生物电化学系统是利用产电微生物与电极之间的电子传递机制，以微生物作为电极催化剂构建形成的微生物电催化反应系统。微生物电化学系统是一个崭新且富有挑战性的领域，在资源和能源回收以及环境污染修复等方面已经日渐展现出其独有的特色和吸引力。微生物电化学系统包含微生物学、电化学、过程工艺学等复杂过程，尽管不断有新的发现和认识被报道，但是迄今为止对微生物电化学系统的认知还不甚完整，大量关键科学与技术问题还有待解决。生物阳极是微生物电化学系统的核心之一，生物阳极的产电活性直接影响系统的反应速率。然而，目前普遍存在生物阳极驯化时间长，产电活性低的问题。
技术实现思路
为改善上述技术问题，本专利技术提供一种电解快速驯化生物阳极的方法，包括如下步骤：A)配置阳极培养液，并连接生物阳极、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，采用恒压电流模式开始第1驯化周期；B)当电流监控元件监测第1驯化周期的电解电流值降低时，断开电路并更换生物阳极培养液，调节恒压电源的电压开始第2驯化周期；C)完成步骤B)后，再重复操作步骤B)3次，完成初始驯化周期；D)在完成步骤C)的基础上，再根据所需的产电能力，重复操作步骤B)n次，完成稳定驯化周期。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中所述阳极培养液的化学需氧量浓度为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液使用的溶剂为水。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液的体积为生物阳极电极体积的2～7倍，例如3～6倍。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液的配方为80～100mmol/LPBS缓冲液(磷酸根离子浓度)、10～15mL/L营养盐、20～30μL/L维生素液、0.77～1.28g/L有机底物，例如所述阳极培养液的配方为100mmol/LPBS缓冲液(磷酸根离子浓度)、12.5mL/L营养盐、25μL/L维生素液、0.77～1.28g/L乙酸钠组成。根据本专利技术的实施方案，所述PBS缓冲液配方为NH4Cl0.62g/L，NaH2PO4·2H2O5.54g/L，Na2HPO4·12H2O23.08g/L，KCl0.26g/L。根据本专利技术的实施方案，所述营养盐配方为EDTA2.0～2.5g/L，MgSO4·7H2O6.0～6.2g/L，MnSO4·H2O0.45～0.55g/L，NaCl0.9～1.0g/L，FeSO4·7H2O0.09～0.1g/L，CaCl20.07～0.08g/L，CoCl2·6H2O0.09～0.1g/L，ZnCl20.12～0.13g/L，CuSO4·5H2O0.009～0.012g/L，KAl(SO4)2·12H2O0.009～0.012g/L，H3BO30.009～0.012g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O0.02～0.025g/L，NiCl2·6H2O0.02～0.025g/L，Na2WO4·2H2O0.02～0.025g/L。根据本专利技术的实施方案，所述维生素液配方为生物素0.0015～0.002g/L，叶酸0.0015～0.002g/L，维生素B60.005～0.01g/L，核黄素0.005～0.01g/L，维生素B10.005～0.006g/L，烟酸0.005～0.006g/L，泛酸0.005～0.006g/L，维生素B120.0001～0.0002g/L，4-氨基苯甲酸0.005～0.006g/L，硫辛酸0.005～0.006g/L。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，所述生物阳极为接种微生物电解池、微生物燃料电池等微生物电化学反应器中的产电生物阳极电极的碳毡、碳布、碳纸、或碳纤维刷。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，所述化学阴极为负载有0.4～1.6mg/cm2Pt催化剂的碳布、碳纸、钛板等基底材料，如负载0.5～1.0mg/cm2Pt催化剂的碳布、碳纸或钛板。根据本专利技术的实施方案，步骤A)中，恒压电源采用的电解电压为0.3V～0.9V，例如0.4V～0.8V。根据本专利技术的实施方案，步骤B)中，当电解电流值下降，且所测电流值为第1驯化周期中最高电流值的80％～95％时断开电路。根据本专利技术的实施方案，步骤B)中，所述阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。根据本专利技术的实施方案，步骤B)中，所述恒压电源的电压不小于第1驯化周期的电压，例如步骤B)中恒压电源的电压比步骤A)中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。根据本专利技术的实施方案，步骤B)中，更换所述阳极培养液的时间为1～30min，例如2～20min，如3～15min。根据本专利技术的实施方案，步骤C)中，重复操作过程中每一驯化周期恒压电源的电压不小于上一周期的电压，例如第4驯化周期中恒压电源的电压比第3驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V；且第5驯化周期中恒压电源的电压比第4驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。根据本专利技术的实施方案，步骤C)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。根据本专利技术的实施方案，步骤D)中，n为大于1的整数，例如1～4的整数。根据本专利技术的实施方案，步骤D)中，当n为1时，第6驯化周期的电压不小于上一周期，例如比第5驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。根据本专利技术的实施方案，步骤D)中，当n为2以上的数时，第6驯化周期的电压不小于上一周期，例如比第5驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V，且第6周期和后面的周期的电压相同。根据本专利技术的实施方案，步骤D)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)或C)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。本申请中阳极培养液的化学需氧量可以根据有机底物如乙酸钠的浓度来调节。当需使用不同化学需氧量的阳极培养液时，可以仅通过调整有机底物如乙酸钠的浓度来获得所需化学需氧量的阳极培养液。本专利技术还提供如上所述方法获得的微生物电极或微生物电化学反应器。有益效果本专利技术涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，本专利技术采用两阶段电压驯化周期(初始驯化周期和稳定驯化周期)的方法，利用电解电流监控反馈生物阳极活性，并通过快速置换阳极培养液维持生物阳极产电活性持续增长，可以实现在初始驯化周期和稳定驯化周期两个阶段，例如6～10个驯化周期内快速得到高产电活性的生物阳极。具体表现如下：1.本专利技术的方法通过固定阳极材料(每次更换的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解快速驯化生物阳极的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nA)配置阳极培养液，并连接生物阳极、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，采用恒压电解模式开始第1驯化周期；/nB)当电流监控元件监测第1驯化周期的电解电流值降低时，断开电路并更换生物阳极培养液，调节恒压电源的电压开始第2驯化周期；/nC)完成步骤B)后，再重复操作步骤B)3次，完成初始驯化周期；/nD)在完成步骤C)的基础上，再根据所需的产电能力，重复操作步骤B)n次，完成稳定驯化周期。/n

【技术特征摘要】
1.一种电解快速驯化生物阳极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)配置阳极培养液，并连接生物阳极、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，采用恒压电解模式开始第1驯化周期；
B)当电流监控元件监测第1驯化周期的电解电流值降低时，断开电路并更换生物阳极培养液，调节恒压电源的电压开始第2驯化周期；
C)完成步骤B)后，再重复操作步骤B)3次，完成初始驯化周期；
D)在完成步骤C)的基础上，再根据所需的产电能力，重复操作步骤B)n次，完成稳定驯化周期。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中所述阳极培养液的化学需氧量浓度为600～1000mg/L；
优选地，步骤A)中，所述阳极培养液使用的溶剂为水；
优选地，步骤A)中，所述阳极培养液的体积为生物阳极电极体积的2～7倍。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤A)中，所述阳极培养液的配方为80～100mmol/LPBS缓冲液、10～15mL/L营养盐、20～30μL/L维生素液、0.77～1.28g/L有机底物；
优选地，所述PBS缓冲液配方为NH4Cl0.62g/L，NaH2PO4·2H2O5.54g/L，Na2HPO4·12H2O23.08g/L，KCl0.26g/L；
优选地，所述营养盐配方为EDTA2.0～2.5g/L，MgSO4·7H2O6.0～6.2g/L，MnSO4·H2O0.45～0.55g/L，NaCl0.9～1.0g/L，FeSO4·7H2O0.09～0.1g/L，CaCl20.07～0.08g/L，CoCl2·6H2O0.09～0.1g/L，ZnCl20.12～0.13g/L，CuSO4·5H2O0.009～0.012g/L，KAl(SO4)2·12H2O0.009～0.012g/L，H3BO30.009～0.012g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O0.02～0.025g/L，NiCl2·6H2O0.02～0.025g/L，Na2WO4·2H2O0.02～0.025g/L；
优选地，所述维生素液配方为生物素0.0015～0.002g/L，叶酸0.0015～0.002g/L，维生素B60.005～0.01g/L，核黄素0.005～0.01g/L，维生素B10.005～0.006g/L，烟酸0.005～0.006g/L，泛酸0.005～0.006g/L，维生素B1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，吴冬，杨燕，徐丽娜，李俊华，周振宁，
申请(专利权)人：潍坊智善新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37