[发明专利]一种利用好氧微生物作为阴极催化剂的MFC制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明设计微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种利用好氧微生物作为阴极催化剂的微生物燃料电池。

(二)背景技术

微生物燃料电池是一种以微生物作为阳极催化剂，将有机物氧化产生电能的装置。反应过程中底物在阳极被细菌氧化并产生电子，电子通过外电路转移到阴极，与质子和氧气一起在阴极生成水。由于在处理污水的同时能够回收清洁能源，微生物燃料电池(MFC)引起了人们的广泛兴趣，并很快成为研究热点。

目前的MFC通常分为液相阴极和和空气阴极两种类型，液相阴极电子受体可以是具有高氧化还原电位的物质，但阴极电解液多为化学药剂(如铁氰化钾或高锰酸钾等)，且随着反应的进行需要不断向阴极补充电解液，不适合实际应用，有些产物还容易带来二次污染，不符合可持续发展的原则。而空气阴极MFC利用空气中的氧作为电子受体，不需要外加电子受体，空气又可大量免费获得，因此大大节约了投资，和液态阴极电子受体相比，空气阴极的最大优点是不用向阴极内定期更换基质，是真正意义上可持续性的生物燃料电池。但由氧气分子在阴极表面发生的三相还原反应速率很慢，需要使用昂贵的金属Pt作催化剂来降低反应的过电位损失，这就大大增加了空气阴极燃料电池的造价；也有研究表明CoTMPP或FePc等也有催化作用，但这都需要系统额外投入很多费用。另外，金属离子会造成阴极的催化剂中毒，导致系统运行失败；若能够减少或不用Pt催化剂则可使系统投资大大降低，便于推广应用。

最近，Gregory et al.等人发现对于硝酸盐或延胡索酸还原反应，一些细菌可以在没有氢气的情况下获得电子，最近也有研究表明生物阳极氧化醋酸盐过程可伴随生物阴极将硝酸盐还原成氮气；Clauwaert等人用管式反应器成功的启动了生物阴极MFC。但其在启动及运行过程中向系统中投加M9电子中介体，这在实际应用中是不合适的。另外，要想使空气阴极MFC有可能应用到实际污水处理工艺中必须想办法少用或不用金属催化剂，微生物阴极催化能够满足这一要求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种利用好氧微生物作为空气阴极微生物燃料电池的阴极催化剂，该电池的最大特点是阴极不需要任何的金属催化剂，而是直接采用好氧微生物对氧气还原进行电化学催化，这些微生物能够简单的从好氧污泥中获得，从根本上降低了MFC造价，大大提高了MFC在实际中的可应用性和可持续性。

本发明的目的是这样实现的：采用双池结构的空气阴极MFC，反应器由阴极室和阳极室构成，中间由阳离子交换膜隔开，阴极和阳极分别置于有机玻璃制成的反应器两侧，电极材料为导电碳纤维，使用前用1mol/L HCl浸泡去除杂质离子，再用1mol/LNaOH浸泡，最后用去离子水冲洗；将导电碳纤维固定在炭棒上，炭棒由反应器顶端伸出，电流通过炭棒导出，反应器启动前，将阳离子交换膜用过氧化氢煮10min，然后用去离子水浸泡5h备用，阴阳极室上下端分别设有出水口和进水口，阴极采用穿孔管曝气，阳极和阴极炭棒之间用铜导线连接，电路外接电阻500Ω。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的纤维丝平均直径为6μm，比表面积817～2720m²/m³，电极体积为9.6cm³；

2、所述的生物阴极MFC的启动采用间歇运行方式，阳极进水以葡萄糖为底物，浓度为1g/L；阴极进水以碳酸氢钠为无机炭源，浓度为2g/L，用曝气池污水接种，启动初期每两天更换一次；在外电阻R_EX＝500Ω条件下系统运行；

3、所述的阴极微生物的养分组成为：NaHCO₃(2g/L)、NH₄Cl(0.31g/L)、KCl(0.13g/L)、NaH₂PO₄(4.22g/L)、Na₂HPO₄(2.75g/L)、(NH₄)₂SO₄(0.56g/L)、MgSO₄·7H₂O(0.2g/L)、CaCl₂(15mg/L)、FeCl₃·6H₂O(1mg/L)、MnSO₄·H₂O(20mg/L)以及微生物生长所需的微量元素营养溶液；

4、所述的阳极以葡萄糖为底物，其他成分与阴极相同。实验采用间歇运行的方式进行；

5、所述的过氧化氢浓度为30％v/v。