[发明专利]一种高效电聚合L-精氨酸修饰电极及提高微生物电化学系统性能的方法

说明书

本发明涉及一种高效电聚合L‑精氨酸修饰电极及提高微生物电化学系统性能的方法，通过优选电聚合L‑精氨酸的电解液pH和CV扫描参数，在微生物电化学系统中电化学活性微生物附着的电极表面高效电聚合L‑精氨酸，得到聚L‑精氨酸修饰电极，利用聚L‑精氨酸修饰电极代替未修饰电极启动和运行微生物电化学系统，能够促进电化学活性微生物在电极表面的吸附，加速生物膜形成，提高电极表面生物膜生物量，降低电荷转移内阻，实现提高微生物电化学系统的性能。与现有方法相比，该方法不需要复杂的操作、不消耗有生物毒性的试剂，为提高微生物电化学系统运行性能提供了一个新的绿色有效的材料修饰方法。

技术领域

本发明涉及微生物电化学技术领域，具体涉及一种高效电聚合L-精氨酸修饰电极及提高微生物电化学系统性能的方法。

背景技术

微生物电化学系统(Microbial electrochemical system,MES)是一种利用电化学活性微生物(Electrochemically active bacteria,EAB)催化极化反应的新型电化学装置。MES最常见的形式是微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)。MFC能够利用EAB催化氧化废水中的有机物，并将有机物中的化学能转换为电能。这一技术实现了同步污水处理和能源回收，有望突破传统污水处理所存在的高能耗瓶颈。除了MFC，微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)也是MES的另一个常见形式。与MFC不同，MEC是利用EAB催化还原反应，即将电能转化为高价值的化学能(例如氢气、乙酸)，已经在生物化工领域展现出良好的应用前景。无论是MFC还是MEC，MES均是利用EAB实现电能-化学能间的能量转换，具有反应条件温和、反应过程绿色等优点。然而，受限于较低的电化学性能，MES的实际应用还存在着技术瓶颈。

影响MES电化学性能的一个重要因素是电极表面EAB生物膜，而生物膜形成的首要和非常重要的步骤是微生物在电极表面的附着。静电力是促使微生物吸附在电极表面的重要驱动力，两种经典的材料修饰方法已经被报道以提高EAB与电极间的静电作用。Cheng等人通过在氨气环境下高温热处理电极，增加了电极表面的氨基等正电荷官能团。由于生理pH条件下EAB带负电，电极经处理后展现出对于EAB更强的静电吸引作用，因此促进了EAB的附着、生物膜的形成，将MFC的启动时间缩短了50％，产电能力提高了20％。Zhu等人利用硝酸和乙二胺处理电极也能够提高电极表面的氨基含量，促进了EAB附着，将MFC启动时间缩短了45％，同时产电能力提高了51％。尽管这些材料处理方法已经被后续研究广泛使用，但存在着反应条件严苛，需要消耗有毒有害试剂等问题。因此，还需要研究绿色温和的能够促进EAB附着的材料修饰方法。

最近，几种新型的材料修饰方法已经被报道用于提高电极表面的正电性。Xie等人报道了利用三聚氰胺覆盖电极表面，提高了电极的Zeta电位。Jurg等人利用N等离子技术处理电极材料，增加了电极表面的N元素含量和含氮官能团。然而，这两种方法对于提高电极表面氨基等正电荷的作用有限(N元素含量≤3％)，这导致了这些研究中修饰材料对MFC启动和运行的提升效果并不明显。Zhong等人利用阳离子絮凝剂修饰电极材料表面，为促进EAB在电极表面附着提供了良好的思路。通过将聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰在电极表面后，不仅消除了MFC启动过程中的迟滞期，将MFC的启动时间大幅度地缩短了92.5％，同时产电能力提高了3.3倍。然而，PDDA仍然具有一定的生物毒性，有可能对于环境产生二次污染，同时通过浸泡-烘干法修饰电极也存在着操作繁琐、稳定性不高、可重复性差等问题。