[发明专利]一种石墨烯修饰碳基电极的制备方法及用其构建的微生物电化学污水处理同步产电装置

说明书

本发明提供了一种石墨烯修饰碳基电极的制备方法及用其构建的微生物电化学污水处理同步产电装置。本发明提供了一种内置石墨烯修饰的碳基电极的微生物电化学装置，其中，石墨烯修饰的碳基电极由氧化石墨烯电化学还原并原位沉积在碳基材料表面制备而成。利用石墨烯修饰的碳基电极作为阴极和阳极，构建连续流生物电化学系统，其中，阳极接种活性污泥，在电极表面富集电化学活性微生物，在降解水中污染物的同时，能够强化电能回收，输出功率密度是普通碳基电极的2倍以上。本发明还构建一种内置石墨烯修饰的碳基电极的生物电化学系统，减小电阻，降低电能损耗，强化污水处理和电能回收。

技术领域

本发明涉及生物电化学领域和污水处理领域，具体涉及一种内置石墨烯修饰碳基电极的强化污水处理并同步产电的微生物电化学系统。

背景技术

生物电化学系统(BESs)是一种新型的污水处理工艺，它利用微生物反应耦合电化学反应，在水中污染物去除方面表现出快速、高效的优势，并能在污水处理的同时回收电能，是一种具有可持续性的污水处理技术。

目前，限制BESs工艺规模化发展的限制性因素之一是电极的阻抗大、能耗损失大、传质效率低问题，因此，寻求合适的电极材料或对现有的碳基材料进行改进是强化BESs效能和推进其可经济化应用的突破口。

石墨烯是近年发现的碳材料的新成员,它是一种由sp2键碳原子构成的单原子厚的平面薄片，密集地排列在蜂窝状晶格中。每个原子都有一个s轨道和两个平面内p轨道，有助于碳片的机械稳定性。它是世界上已知的最薄的材料，在概念是构建许多其他碳材料的基本构件。石墨烯具有载流子迁移率最高、高比表面积、良好的电化学催化、较高的机械强度等奇特性质，因此，是构建电极的理想材料。

同时，石墨烯具有良好的生物相容性，研究表明，石墨烯修饰电极可以提升生物电化学系统产电方面的性能。例如，将石墨烯修饰在碳布电极上，用作阳极，可促进铜绿假单胞菌在阳极的富集，使其产电的功率密度和能量转换效率分别提高了2.7倍和3倍；将石墨烯粉用聚四氟乙烯粘在不锈钢网上，可以构建较大表面积的石墨烯阳极,为大肠杆菌的附着提供更多的位点，降低了阳极过电势,提高电子转移效率，获得的最大产电输出是相同条件下以不锈钢网的18倍；利用Shewanella的厌氧或兼性厌氧条件下的呼吸作用,将石墨烯氧化物在生物电化学系统阳极还原形成石墨烯和微生物的混合物时，生物电化学系统的最大产电输出比无石墨烯的阳极提高了32％，当石墨烯氧化物在阴极还原形成石墨烯和微生物的混合物时，生物电化学系统的最大产电比无石墨烯的阴极提高了103％。

基于石墨烯的高导电性和良好的生物相容性，本发明提供了一种石墨烯修饰碳基电极的方法，并利用石墨烯修饰的碳基电极作为阴极和阳极，构建了连续流生物电化学系统，其中，阳极接种活性污泥，在电极表面富集电化学活性微生物，在降解水中污染物的同时，能够强化电能回收，输出功率密度是普通碳基电极的2倍以上。本发明的目的是构建一种内置石墨烯修饰的碳基电极的生物电化学系统，减小电阻，降低电能损耗，强化污水处理和电能回收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内置石墨烯修饰碳基电极的微生物电化学系统，可以降解污水中污染物的同时，强化产电。

本发明的一方面，提供了一种石墨烯修饰碳基电极的制备方法，包括：

(1)利用pH＝6的缓冲体系稀释氧化石墨烯溶液，缓冲体系可以为：磷酸盐缓冲液、柠檬酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液等；

(2)稀释的氧化石墨烯浓度在0.3～0.5mg/L

(3)选用碳基电极为工作电极，碳基材料可选用碳布、碳毡、碳纤维等；碳基材料使用前采用酸浸泡和高温处理的方式做表面清洁和预处理；

(4)选用高导电性材料为对电极，高导电性材料可选用：铂、玻炭、不锈钢网等；

(5)以述氧化石墨烯溶液为电解液，构建三电极体系；