[發明專利]生物電化學系統膜電極集成馴化方法、裝置及其應用

有效

• 申請號: 201410176290.5
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103943875A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 朱亮;高凱拓;徐向陽;靳捷;戚嬌琴
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C25B1/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

技術領域

本發明涉及一種生物電化學系統膜電極集成馴化方法、裝置及其應用，是一種將產電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程相結合的方法，可在該裝置內實現多組生物膜電極集成馴化，推進生物電化學系統的科學研究與技術應用。

背景技術

當前，能源短缺和環境污染是全球可持續發展所面臨的嚴峻問題與關注焦點。生物電化學系統（Bioelectrochemical?systems,?BESs）因其同步生物質產能、污染物降解特點，在能源與環境領域受到研究者廣泛關注，近年來已在產電產氫以及高濃度硝酸鹽、高氯酸鹽、Cr、偶氮染料等廢水處理中得到應用。常見的BESs系統主要分為微生物燃料電池（Microbial?Fuel?Cell,?MFC）和微生物電解池（Microbial?Electrolysis?Cell,?MEC）兩大類，其中前者利用微生物將生物質中的化學能轉化為電能，即將未經處理的污水變成干凈水的同時發電；后者則在微生物作用下將廢水有機物的化學能轉化為氫，即處理難處理高濃度硝酸鹽、高氯酸鹽等廢水的同時產生清潔高效能氫能源。相比于傳統方法，生物電化學技術可在微生物代謝生物質的同時產電產氫，并具有裝置簡單、性能穩定、能耗較低等特點。

常規生物電化學系統中，由于陽極的產電微生物富集過程緩慢并且富集程度不同，導致生物電化學系統啟動時間長，性能不一。在生物電化學系統中直接安裝馴化成熟的生物膜電極可大大加快系統啟動時間、實現穩定運行。因此，為進一步推進生物電化學系統的科學研究與技術應用，多組性能穩定、結構相似的生物膜電極需要批量集成馴化。與常規微生物電解池和微生物燃料電池自然掛膜馴化相比，利用MFC進行生物膜電極馴化，由于陰陽兩極存在的電位差，在微電場作用下產電微生物可在陽極高度富集。同時，多組生物膜電極在統一體系內集成馴化、線路集成連接，避免了因接種物、底物濃度、環境條件等差異而導致的生物膜組成結構不同及多個MFC運行馴化的復雜，具有裝置簡便美觀、運行操作簡單等優點。但是，目前生物膜電極馴化缺乏系統的操作策略，成熟生物膜電極的判定也缺乏相應的標準。

發明內容

本發明的目的是克服上述技術中存在的不足，提供一種設計合理、結構優化、操作簡單的生物電化學系統膜電極集成馴化方法和裝置，并據此提出可靠的運行策略。本發明采用的技術方案概況如下：?

????????一種生物電化學系統膜電極集成馴化方法，將產電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程相結合；微電場刺激下產電微生物在陽極氧化底物并提供電子傳遞到陰極，在外電路形成閉合回路產生電流，進而實現產電微生物在陽極的定向富集；微電場刺激下產電微生物在陽極定向富集，從而實現生物膜電極集成馴化；將多個微生物燃料電池并聯，每個微生物燃料電池自成一體，分別由陰極、生物陽極、可調電阻控制電路板負載電阻形成完整回路，同時所有陰極、生物陽極處于同一個陰極室和陽極室，在一致的培養條件下確保生物膜電極集成馴化。

一種生物電化學系統膜電極集成馴化裝置，包括生物膜電極馴化單元、可調電阻控制電路板、數據采集系統，生物膜電極馴化單元主要為厭氧環境下產電細菌富集、生物膜電極批量馴化場所，可調電阻控制電路板用于調節生物膜電極外電路負載電阻，數據采集系統用于負載電阻兩端電勢差及其他相關電化學參數的采集、記錄與分析；

所述的生物膜電極馴化單元包括陰極室、陽極室、質子交換膜和多組電極體系，所述的電極體系包括陰極、生物陽極、參比電極以及導電鈦線；

所述的數據采集系統包括多通道數據采集器和裝有數據記錄軟件的電腦；

所述的生物膜電極馴化單元的陰極室和陽極室由質子交換膜分隔，通過法蘭固定，陰極室和陽極室正對分別設置多組陰極孔槽、陽極孔槽和參比電極孔槽用于電極固定，其中參比電極孔槽設置在陽極室頂部陽極孔槽附近，陰極和生物陽極分別通過導電鈦線連接并固定于陰極孔槽和陽極孔槽，參比電極固定在參比電極孔槽，兩極室和兩側間隔均勻設置三個排水口，并安裝閥門用于水樣采集及營養液更換，馴化裝置外部用石蠟密封保持其厭氧環境。對應陰極和生物陽極連接的導電鈦線通過導線與可調電阻控制電路板接線端子相連，多通道數據采集器數據采集通道并聯于可調電阻控制電路板電阻兩端，多通道數據采集器連接裝有數據記錄軟件的電腦。

所述的陰極為304不銹鋼網電極，生物陽極為石墨氈電極，質子交換膜為CMI7000。