生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用。所述方法先构建单室生物电化学系统，依次加入希瓦式菌菌液、pH＝7.0的PIPEs缓冲溶液和有机代谢底物，阳极恒电位培养富集希瓦式菌生物膜，制得生物膜电极，然后将生物膜电极转移到PIPEs缓冲溶液中，依次添加氯化铁溶液、硫代硫酸钠溶液以及有机代谢底物，恒温摇床培养，制得生物纳米杂合体系改性电极。本发明专利技术利用生物纳米杂合体系改性后的电极显著增强了微生物的胞外电子传递，并且在典型生物电化学系统中实现了输出功率密度5倍的提升。倍的提升。倍的提升。

【技术实现步骤摘要】
生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于污水处理
，涉及一种生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]生物电化学系统(BES)是在阳极和/或阴极使用生物催化剂的电化学系统，可以通过微生物代谢将储存在多种可生物降解有机物中的化学能直接转化为电能，也可以通过电能输入提高微生物胞内代谢产生有价值的物质，具有广泛适用性。BES系统中可以介入的微生物种类和用以能量供给的有机污染物种类多，与传统系统相比，还具有体积小、噪音低、环境影响小等优势。但是随着研究的深入，BES受限于电子传递过程导致输出功率低的弊端也逐渐显现出来，这也限制了其在实际废水处理工程中的应用。
[0003]对于BES电子传递效率低的问题，现有研究主要集中在改善电极表面电子传递性能或是改善微生物和电极之间的结合性能。其中一类方法是对电极材料中进行金属或非金属元素的掺杂，创造更多的孔隙供给微生物附着同时提供更多的氧化还原反应电活性位点。另一类方法是使用预先制备的导电聚合物或纳米材料对电极表面进行修饰，利用它们更大的比表面积、更好的导电性能和优异的催化活性来降低电荷转移的阻力。上述改性策略都需要预先对电极做物理/化学方法预处理，制备过程繁杂、能量消耗大、极易受操作环境影响、成本偏高并且过程中会造成环境污染。
[0004]硫化亚铁(FeS)是一种四方亚铁单硫化物，是自然界普遍存在的无毒矿物。纳米FeS由于其良好的还原能力和易制备的特点，常常被用于处理重金属污染水相或土壤。纳米FeS的合成方式通常分为化学法和生物法，而生物法合成相对来说毒性小、经济性好、环境友好且容易取得更佳的性能。目前，使用生物方法合成的纳米FeS大多数用于高价元素的还原降解和卤代有机物的脱卤降解如六价砷、六价铬、三氯乙烯、氯代苯酚等。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种适用于BES、提高其电子传递效率的生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案为：
[0007]生物纳米杂合体系改性电极的制备方法，具体步骤如下：
[0008](1)构建单室生物电化学系统，依次加入希瓦式菌菌液、pH＝7.0的哌嗪
‑
1,4
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二乙磺酸(PIPEs)缓冲溶液和有机代谢底物，阳极恒电位培养富集希瓦式菌生物膜，连续监测电流至稳定时结束恒电位培养，弃去反应器内全部溶液，以除氧缓冲溶液替换三次，得到生物膜电极，有机代谢底物选自甲酸钠、乳酸钠或丙酮酸钠；
[0009](2)将生物膜电极转移到PIPEs缓冲溶液中，依次添加氯化铁溶液、硫代硫酸钠溶液以及有机代谢底物，恒温摇床培养，制得生物纳米杂合体系改性电极，有机代谢底物选自甲酸钠、乳酸钠或丙酮酸钠。
[0010]优选地，步骤(1)或(2)中，PIPEs缓冲溶液的浓度为30mM。
[0011]优选地，步骤(1)或(2)中，甲酸钠的最终浓度为120mM，乳酸钠的最终浓度为20mM，丙酮酸钠的最终浓度为24mM。
[0012]优选地，步骤(1)或(2)中，氯化铁的最终浓度为2.2
±
0.2mM，硫代硫酸钠浓度为10mM。
[0013]优选地，步骤(1)中，培养温度为30℃，摇床转速为120～180rpm。
[0014]优选地，步骤(2)中，阳极恒电位为
‑
300～
‑
200mV。
[0015]优选地，步骤(2)中，电极的转移过程严格厌氧。
[0016]优选地，步骤(2)中，培养温度为30℃，摇床转速为60～120rpm。
[0017]本专利技术还提供上述制备方法制得的生物纳米杂合体系改性电极。
[0018]进一步地，本专利技术还提供上述生物纳米杂合体系改性电极在生物电化学系统中的应用。
[0019]本专利技术所述的生物电化学系统可以为微生物燃料电池(MFC)。
[0020]进一步地，所述的生物纳米杂合体系改性电极在微生物燃料电池中应用时，阴极基质采用铁氰化钾保持电势稳定，阳极基质采用乳酸钠作为唯一电子供体。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0022](1)通过调控缓冲溶液的选择、铁盐和含硫化合物的浓度以及代谢底物的种类等条件，制得具有优异性能的由希瓦式菌和纳米FeS构成的生物纳米杂合体系；
[0023](2)本专利技术的生物纳米杂合体系改性阳极，适用于生物电化学系统，例如应用于MFC时，其输出功率指标提升了5倍以上。
附图说明
[0024]图1为实施例1中使用不同缓冲溶液生产的生物纳米复合物的X射线衍射图。
[0025]图2为实施例2中不同的氯化铁浓度条件下体系中二价铁浓度随时间变化的曲线。
[0026]图3为实施例3中不同硫代硫酸钠浓度条件下生产的希瓦式菌
‑
纳米FeS杂合体系的SEM图。
[0027]图4为实施例4中反应前和反应结束时的实物图。
[0028]图5为实施例4中生产的希瓦式菌
‑
纳米FeS杂合体系的TEM图。
[0029]图6为实施例5中使用的单室生物电化学系统装置图。
[0030]图7为实施例5中制备的原始生物电极和生物纳米杂合改性电极的SEM图。
[0031]图8为实施例5中制备的原始生物电极和生物纳米杂合改性电极的循环伏安测试结果。
[0032]图9为实施例6中使用生物电极和生物纳米杂合改性电极作为阳极的MFC中输出功率密度曲线。
具体实施方式
[0033]下面将结合具体实施例和附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术
保护的范围。
[0034]实施例1
[0035](1)预制含18g/L营养肉汤和12g/L琼脂的固体平板，将希瓦式菌菌种接种到平板上，30℃恒温培养箱培养48h，取平板上的单菌落接种到LB培养液(18g/L营养肉汤)中，在30℃恒温震荡培养箱内震荡培养14h，，菌液经过离心、清洗后收获沉淀；
[0036](2)配制pH＝7、浓度分别为100、50、40、30、20、5mM(以总磷计)的PBS缓冲溶液，其中100mM时Na2HPO4·
12H2O和KH2PO4添加量为24.811g/L和4.18g/L，其他浓度按梯度折算，另外辅以NaCl0.5g/L、NH4Cl1 g/L、MgSO4·
7H2O0.120 g/L、CaCl20.011 g/L；配制pH＝7的PIPEs缓冲溶液，包括哌嗪
‑
1,4
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二乙磺酸30mmol/L、NaOH45 mmol/L、NaCl0.5g/L、NH4Cl1 g/L、MgSO4·
7H2O0.120本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.生物纳米杂合体系改性电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)构建单室生物电化学系统，依次加入希瓦式菌菌液、pH＝7.0的PIPEs缓冲溶液和有机代谢底物，阳极恒电位培养富集希瓦式菌生物膜，连续监测电流至稳定时结束恒电位培养，弃去反应器内全部溶液，以除氧缓冲溶液替换三次，得到生物膜电极，有机代谢底物选自甲酸钠、乳酸钠或丙酮酸钠；(2)将生物膜电极转移到PIPEs缓冲溶液中，依次添加氯化铁溶液、硫代硫酸钠溶液以及有机代谢底物，恒温摇床培养，制得生物纳米杂合体系改性电极，有机代谢底物选自甲酸钠、乳酸钠或丙酮酸钠。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)或(2)中，PIPEs缓冲溶液的浓度为30mM。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)或(2)中，甲酸钠的最终浓度为120mM，乳酸钠的最终浓度为20mM，丙酮酸钠的最终浓度为24mM；氯化铁的最终浓度为2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹，金超，沈锦优，江心白，刘晓东，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：