[发明专利]生物纳米杂合体系改性电极及其制备方法和应用

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

实现本发明目的的技术方案为：

生物纳米杂合体系改性电极的制备方法，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的哌嗪-1,4-二乙磺酸(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；

(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。

优选地，步骤(1)或(2)中，PIPEs缓冲溶液的浓度为30mM。

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。

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。

优选地，步骤(1)中，培养温度为30℃，摇床转速为120～180rpm。

优选地，步骤(2)中，阳极恒电位为-300～-200mV。

优选地，步骤(2)中，电极的转移过程严格厌氧。