一種水凝膠微生物電極及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極，尤其涉及一種水凝膠微生物電極及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(microbial fuel cell)是一種近年來發(fā)展起來的生物電化學(xué)技術(shù)，它利用電活性微生物催化不同的電化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到不同的應(yīng)用目的，如產(chǎn)電、產(chǎn)氫、化學(xué)合成、生物修復(fù)、污水處理等?！?a)K.Rabaey and ff.Verstraete, Trends inB1technology, 2005, 23 291-298.(b) K.Rabaey, L.Angenent, U.Schroder andJ.Keller, B1electrochemical Systems: From Extracellular Electron Transfer toB1technological Applicat1n, 2009, 1st ed., IffA Publishing, London.】在微生物燃料電池中，電活性微生物以生物膜的形式生長在陽極上，其成分主要是Geobacter和
等產(chǎn)電菌。【(a) B.E.Logan and J.M.Regan, Trends in Microb1logy,2006, 14, 512-518.(b) B.E.Logan, Nature Reviews Microb1logy, 2009, 7,375-381.(c) D.R.Lovley, Annual Review of Microb1logy, 2012, 66, null.】傳統(tǒng)的微生物燃料電池以水溶液為電解質(zhì)，陽極上電活性微生物膜在被水溶液包圍，離子在水溶液中迀移。在水溶液電解液中，底物濃度、PH和溶解氧濃度等溶液參數(shù)的變化，水力擾動(dòng)，外界振動(dòng)，陰極的生物污染等對微生物燃料電池的性能具有極大的影響，導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定，阻礙了微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。【(a) B.E.Logan, B.HameIers, R.A.Rozendal, U.Schrorder, J.Keller, S.Freguia, P.Aelterman, ff.Verstraeteand K.Rabaey, Environmental Science & Technology, 2006, 40, 5181-5192.(b)
H.Liu, S.A.Cheng and B.E.Logan, Environmental Science & Technology, 2005,39, 5488-5493.(c) G.S.Jadhav and M.M.Ghangrekar, B1resource Technology,2009, 100, 717-723.(d) F.Harnisch, S.Wirth and U.Schroder, ElectrochemistryCommunicat1ns，2009, 11, 2253-2256.】
本發(fā)明的水凝膠微生物電極是采用原位冷凍/解凍物理交聯(lián)的方法制備水凝膠；將生長在電極的電活性微生物膜包裹、固定而制備而成。與傳統(tǒng)在溶液中的微生物電極相比，水凝膠微生物電極可以耐受更在較高的底物濃度和pH的供給溶液，耐受水力擾動(dòng)、外界振動(dòng)的影響等。凝膠微生物陽極將可極大促進(jìn)微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。以該水凝膠生物電極為陽極的微生物燃料電池可以用于處理高強(qiáng)度、高堿度的污水等?；谒z微生物電極還可以構(gòu)建水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，用作便攜式電源裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]傳統(tǒng)微生物燃料電池以水溶液為電解質(zhì)，陽極上電活性微生物膜在被水溶液包圍，離子在水溶液中迀移。在水溶液電解液中，底物濃度、PH值和溶解氧濃度等溶液參數(shù)的變化，水力擾動(dòng)，外界振動(dòng)，陰極的生物污染等對微生物燃料電池的性能具有極大的影響，導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定，阻礙了微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明的目的在于提供一種水凝膠微生物電極及其制備方法。本發(fā)明的水凝膠生物電極中，電活性微生物膜被水凝膠包裹、保護(hù)，可以在高濃度底物和PH值水溶液中工作，同時(shí)還可耐受水力擾動(dòng)和外界振動(dòng)。
[0004]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種水凝膠微生物電極，是采用原位冷凍/解凍物理交聯(lián)方法制備水凝膠，將生長在電極上的電活性微生物膜包裹、固定而制成；其具體結(jié)構(gòu)為它包括電活性微生物膜、水凝膠、供給溶液、多孔電極和接線口，微生物電極從里至外依次為多孔電極、電活性微生物膜、水凝膠和供給溶液；電活性微生物膜生長在多孔電極上，多孔電極連接接線口。
[0005]一種水凝膠微生物電極的制備方法如下:
a)在電極上預(yù)先富集電活性微生物膜；
b)將一定分子量和醇解度的水凝膠聚合物溶解于一定濃度的電解質(zhì)水溶液中，形成均一、透明的聚合物水溶液；
c)將b中制備的聚合物水溶液緩慢加入到a中預(yù)先富集了電活性微生物膜電極中，包裹電活性微生物膜；
d)將c中聚合物水溶液包裹的微生物電極置于低于0°C的溫度下冷凍4~48小時(shí)，隨后置于高于0°C的溫度條件下解凍；
e)重復(fù)d中的冷凍/解凍步驟1-3次。
[0006]水凝膠聚合物是含有羥基功能團(tuán)可溶于水，可采用冷凍/解凍法交聯(lián)制備水凝膠的聚合物；主要包括聚乙烯醇及其共聚物；水凝膠聚合物分子量10-100萬，醇解度>80%，優(yōu)選>95% ;聚合物水溶液的濃度范圍為8%-25% ；
所用的電極材料具有多孔、導(dǎo)電等特征；材料為炭或石墨、不銹鋼、導(dǎo)電聚合物，以及它們的復(fù)合材料等；材料的形態(tài)包括氈、布、刷、泡沫、網(wǎng)等。
[0007]電解質(zhì)的主要成分是無機(jī)鹽，如氯化物、磷酸鹽等；水溶液的pH值范圍為7-8。
[0008]水凝膠微生物電極具有以下特征:
a)可耐受底物濃度高達(dá)200mM的溶液環(huán)境；
b)可耐受pH范圍為6-11的溶液環(huán)境；
c)不受外界的振動(dòng)、水力擾動(dòng)的影響；
制備水凝膠的電解質(zhì)溶液，其成分主要是有機(jī)鹽或無機(jī)鹽水溶液，如氯化物、磷酸鹽等，其pH為范圍為6-10，優(yōu)選pH范圍為7-8，濃度范圍為20-200 mM。用電解質(zhì)水溶液制備水凝膠的目的是使水凝膠具有良好的離子迀移性能。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)效果是:與傳統(tǒng)的直接在水溶液中工作的微生物電極相比，水凝膠微生物電極可以耐受更高底物濃度和pH值的電解質(zhì)溶液，抵抗水力擾動(dòng)、超聲振動(dòng)的影響等，因此可極大促進(jìn)微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。以該水凝膠生物電極為陽極的微生物燃料電池可以用于處理高強(qiáng)度、高堿度的污水等。而且，基于該水凝膠微生物電極可以構(gòu)建水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，用作便攜式電源裝置。
【附圖說明】
[0010]圖1為水凝膠微生物電極示意圖。
[0011]圖2為電活性微生物膜冷凍/解凍前后的微生物電催化電流-時(shí)間曲線。
[0012]圖3為空氣陰極構(gòu)型水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池的構(gòu)型示意圖。
[0013]圖4 (A)微生物電極和(B)凝膠微生物電極在不同pH條件下的電催化電流-時(shí)間曲線；電解質(zhì)中磷酸鹽濃度為50 mM，醋酸鈉底物的濃度為20 mM。
[0014]圖5醋酸鈉底物的濃度分別為40、60、80和100 mM條件下，凝膠微生物電極的電流-時(shí)間曲線；電解液中的磷酸鹽濃度為50 mM, pH為10。
[0015]圖6.為水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池的極化曲線和功率密度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1所示，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種水凝膠微生物電極，是采用原位冷凍/解凍物理交聯(lián)方法制備水凝膠，將生長在電極上的電活性微生物膜包裹、固定而制成，其具體結(jié)構(gòu)為它包括電活性微生物膜1、水凝膠2、供給溶液3、多孔電極4和接線口 5，微生物電極從里至外依次為電活性微生物膜1、水凝膠2和供給溶液3，電活性微生物膜I上有多孔電極4，多孔電極4連接接線口 5。
[0017]低溫冷凍是常用的保存微生物的方法；圖2顯示電活性微生物膜經(jīng)過冷凍解凍后，一