一种金属氧化物改性电极生物膜还原CO2的方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种金属氧化物改性电极生物膜还原CO2的方法。

背景技术：

石油、煤炭等化石燃料的燃烧造成大量CO2的排放，导致了“温室效应”。CO2的化学性质十分稳定，近乎于“惰性气体”。因此，寻找一种有效的方法存储和还原CO2一直是社会关注的焦点。CO2的处理技术一般可分为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。现阶段，从大气中分离固定二氧化碳技术主要有生物法，而从燃放气中分离回收二氧化碳技术主要有物理法、化学法和物理-化学法等。

利用生物法分离、固定二氧化碳已成为21世纪环境工程防治大气“温室效应”的主流技术。固定二氧化碳的微生物一般分为两类：光能自养型微生物和化能自养型微生物。前者主要包括微藻类和光合细菌，它们均含有叶绿素，且以光为能源，二氧化碳为碳源；后者主要以H2、H2S、NH4⁺等还原态无机物质为能源，以二氧化碳为碳源。在自然界中，甲烷可由产甲烷菌的生物作用产生，产甲烷菌呼吸作用是以含碳小分子化合物为电子传递的最终受体，最常见的是二氧化碳，甲烷菌的呼吸过程中需要消耗 H2来作为电子的供体，充足的电子供给也是上述反应得以发生的必要条件。

另外，利用电化学方法使CO2还原成CH4也是一条重要的途径。近年来，在二氧化碳转化方面，研究者们也做出了很多努力，但利用传统的化学方法还原二氧化碳需要同时提供能量和氢气，而采用电催化方法可以还原二氧化碳，且与电解水耦合可以从水中获取氢。该过程可以在比较温和的反应条件下直接获得一氧化碳、碳氢化合物和甲醇等高值化学品和液体燃料，但是反应效率还有待于进一步提高。

将生物法和电化学法有机结合来还原二氧化碳的技术是近年来发展起来的一项新型技术，具有绿色、高效、低能耗等共同优点。自1992年 Mellor等在《Nature》上首次明确提出了“电极-生物反应器”概念以来，该工艺被国内外许多学者进行了研究并被广泛应用于水处理中，取得了较好的效果。

技术实现要素：

为提高厌氧菌(如甲烷菌)对CO2的生物催化效果，本发明提供了一种金属氧化物改性电极生物膜还原CO2的方法，通过本方法可实现CO2的高效、稳定还原。

一种金属氧化物改性电极生物膜还原CO2的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：采用三电极体系进行CV扫描制得金属氧化物改性导电基底；

三电极体系中，以Fe²⁺或Cu²⁺的前驱体溶液作为电解液，导电基底作为工作电极，钛电极为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极；

步骤(2)：将所述金属氧化物改性导电基底水平放置，其上沉降形成含厌氧菌的生物膜；

步骤(3)：所述生物膜在外加电压下驯化后，形成具有电活性的生物膜，在外加电场协同作用下还原CO2。

本发明通过电沉积方法或者循环伏安法将金属氧化物沉积、负载至生物兼容性好的导电基底上制得金属氧化物改性导电基底，再在其表面沉积含厌氧菌(如产甲烷菌)的生物膜，制得金属氧化物改性电极生物膜，生物膜内的厌氧菌经电驯化后具有高的活性，用于CO2的还原。本发明中，利用所述金属氧化物改性生物膜电极来构建电催化-改性电极生物膜体系，可提高微生物获取电子的能力，从而提高CO2或其他有机碳源的还原效率。

步骤(1)中，所述的导电基底为导电碳布或石墨等生物兼容性好的导电材料。

导电碳布等在使用前需对其进行浸泡清洗处理，如将导电碳布电极依次浸泡在HCl溶液和NaOH溶液中各24h，再用去离子水清洗、自然风干后备用。对导电碳布进行上述处理可去除导电碳布内可能残存的生物质和金属。

导电碳布具有较高孔隙率，有利于金属氧化物的附着；微生物容易进入其内部生长，有利于生物膜的形成。此外，导电碳布还兼具价格低廉，导电性好，生物兼容性高等特点。

步骤(1)中，电沉积时采用的前驱体溶液为二价铁离子溶液或铜离子溶液，利用循环伏安法(CV)将二价铁离子或铜离子沉积至导电碳布上，烘干处理，制得铁氧化物(如Fe2O3)改性导电碳布或铜氧化物(如CuO) 改性导电碳布。

本发明利用铁氧化物和铜氧化物的优良导电性能来改善导电碳布在电子传导等方面的电化学性能。上述金属氧化物价格低，资源丰富，对生物体的毒性小，有利于后续的生物膜的形成及产甲烷菌的驯化。

步骤(1)中，所述的Fe²⁺的前驱体溶液由可溶性亚铁盐和醋酸缓冲盐配制而成；可溶性亚铁盐优选水溶性亚铁盐。

本发明采用醋酸缓冲盐溶液作为金属氧化物改性导电碳布的电解液，作为优选，所述醋酸缓冲盐的溶液中，醋酸钠的浓度为0～1mol/L。进一步优选，醋酸钠的浓度为0.2mol/L。

在进行步骤(1)的电沉积前，对配置完成的电解液进行吹脱、除氧处理，如采用高纯N2吹脱30min。

作为优选，所述Fe²⁺的前驱体溶液中，Fe²⁺来源于硝酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁和草酸亚铁的一种或多种；Fe²⁺的摩尔浓度为5-15 mmol/L，pH为6.5-7.5。Fe²⁺的摩尔浓度太大，生成的铁氧化物颗粒偏大或者膜厚不易控制，改性效果不好；Fe²⁺的摩尔浓度太小，生成铁氧化物量少或者需要更多的沉积时间。pH选择在中性范围有利于铁氧化物的生成和后续挂膜时保持较好的生物兼容性。

进一步优选，所述的Fe²⁺的前驱体溶液中，Fe²⁺来源于FeSO4，FeSO4的浓度为10mmol/L，pH为7.0。

作为优选，步骤(1)中，在制备铁氧化物改性导电碳布时，CV扫描的范围为0.1-1.6V，扫速为20-100mV/s，扫描圈数为20-80圈。扫速太大，生成的铁氧化物颗粒大小和膜厚不易控制；扫速太小，生成同样厚的铁氧化物耗时太长。

进一步优选，步骤(1)中，在制备铁氧化物改性导电碳布时，CV扫描的范围为0.1-1.6V，扫速为50mV/s，扫描圈数为50圈。

所述Cu²⁺的前驱体溶液由可溶性铜盐和醋酸缓冲溶液配置而成，其中，Cu²⁺的浓度为5-15mmol/L，pH为5.0-6.5。Cu²⁺的摩尔浓度太大，生成的铜氧化物颗粒偏大或者膜厚不易控制，改性效果不好；Cu²⁺的摩尔浓度太小，生成铜氧化物量少或者需要更多的沉积时间。pH选择在5.0-6.5 范围有利于铜氧化物的生成。

作为优选，Cu²⁺的前驱体溶液中，Cu²⁺来源于水溶性铜盐。如硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜等。

进一步优选，Cu²⁺的前驱体溶液中，Cu²⁺来源于醋酸铜，Cu²⁺的浓度为10mmol/L，pH为5.5。

作为优选，步骤(1)中，在制备铜氧化物改性导电碳布时，CV扫描的范围为-1.0-0.4V，扫速为20-100mV/s，扫描圈数为20-80圈。

进一步优选，在制备铜氧化物改性导电碳布时，CV扫描的范围为 -1.0-0.4V，扫速为50mV/s，扫描圈数为50圈。

步骤(1)中，Fe²⁺或Cu²⁺电沉积完成后，经清洗、烘干固化制得铁氧化物或铜氧化物改性导电碳布。清洗过程可采用去离子水冲洗。

作为优选，步骤(1)中，烘干温度为90-115℃，烘干处理时间为0.5-1.5 h。

进一步优选，步骤(1)中，烘干温度为105℃，烘干处理时间为1h。

步骤(1)处理完成后，制得的金属氧化物改性导电基底经步骤(2) 处理，在其表面负载、形成生物膜。

步骤(2)中，将金属氧化物改性导电基底水平放置于含厌氧菌的颗粒污泥微生物营养液中进行沉降，其中，厌氧菌的浓度为1-6g/L。

含厌氧菌的颗粒污泥溶液为厌氧颗粒污泥与微生物营养液的混合溶液，所述的微生物营养液优选为NaHCO3 2.0g/L、NaHPO4 8.09g/L、 NaH2PO4 5.08g/L、KCl0.13g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl0.3g/L、 NH4Cl 0.31g/L、Na2S 0.2g/L和微量元素。

所述厌氧菌中至少含有甲烷菌。

步骤(2)中，生物膜的沉积厚度为2-5mm。

作为优选，步骤(2)中，生物膜的沉积厚度为3mm。

步骤(3)中，在外加电压下对生物膜内的微生物进行驯化，待检测到微生物能持续、稳定产甲烷后即证明微生物驯化成功。可利用该驯化的金属氧化物改性电极生物膜作为阴极材料电还原CO2。

作为优选，步骤(3)中，外加电压为0.3-1.0V。

进一步优选，驯化过程的外加电压为0.7V。

驯化时间为1-3个月，优选2个月。在驯化或后续的催化过程中，需对电解液(即所述的微生物营养液)进行置换，以保证微生物的高效还原性能。在操作过程中，需要严格执行无氧操作。

作为优选，微生物驯化完成后，在等同的驯化外加电压下进行二氧化碳生物电催化、还原。

本发明还提供了一种实施上述方法的装置(反应器)，该装置是由有机玻璃制成，采用分体设计，其上部分和下部分通过固定件连接，整体形状呈中空的长方体型。

反应器上部分的腔体为阴极室，下部分的腔体为阳极室，阴极室和阳极室通过离子交换膜分隔。作为优选，阴极室和阳极室为圆柱形腔体。反应器的上部分和下部分还分别设置有与各自腔体连通的进水孔，通气孔和导线孔。

所述的离子交换膜优选为nafion膜或者其他阳离子交换膜，如聚乙烯异相阳离子交换膜。该膜是由苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂以聚乙烯为粘合剂，经混炼拉片，用尼龙网布增强热压而成。所述的阳离子交换膜具有强酸性基圈R-SO3构成负电场，带正电荷的离子易吸收通过。

阴极室和阳极室内分别设置有用于固定电极的电极架。阳极室采用的电极为导电碳布电极或者石墨电极，阴极室采用本发明制得的金属氧化物改性生物膜电极。两室内的电极通过耐腐蚀的钛导线与直流稳压稳流电源连接，构成电路回路。作为优选，阴极室和阳极室内设置的电极互相平行。

本发明中，将所述的金属氧化物改性生物膜作为阴极材料来构建电催化-改性电极生物膜体系，并利用该体系对CO2进行还原；通过测定，CO2的还原率高于10％，且体系运行稳定好。

附图说明

图1为实施例1、实施例2、对比例1、对比例2的甲烷浓度图；

图2为实施例1、实施例2、对比例1的电流变化图；

图3为实施例1、实施例2、对比例3、对比例4的甲烷浓度图；

图4为实施例1、实施例2、对比例3、对比例4的H2的浓度图；

图5为实施例1、实施例2、对比例5、对比例6的CH4的浓度图；

图6a为实施例2的反应器中CO2的还原率图；

图6b为实施例1的反应器中CO2的还原率图。

具体实施方式

一种金属氧化物改性电极生物膜还原CO2的装置(反应器)，由有机玻璃制成，采用分体设计，其上部分和下部分通过螺丝固定连接，整体形状呈中空的长方体型。

反应器上部分的腔体为阴极室，下部分的腔体为阳极室，阴极室和阳极室通过聚乙烯异相阳离子交换膜分隔。反应器的上部分和下部分还分别设置有与各自腔体连通的进水孔，通气孔和导线孔；各孔直径为4mm，为增加装置的密封性，各孔还分别配备有与之尺寸相匹配的橡胶塞。

阴极室和阳极室都为圆柱形腔体结构，腔体直径为4cm，腔体体积为 60cm³，其中，阳极室内充满溶液；阴极室内顶部留有10mL的空间，便于取气态样品及计算其浓度。

阴极室和阳极室内还分别设置有用于固定电极的电极架。阳极室采用的电极为导电碳布电极，阴极室采用本发明制得的金属氧化物改性生物膜电极。阳极和阴极的形状均为直径为4cm的圆形，相互平行设置于各自的电极室内，其中，阳极和阴极的垂直距离为4cm。

两室内的电极通过耐腐蚀的钛导线与直流稳压稳流电源连接，构成电路回路。

第一次向反应器内注液前，须用氮气置换反应器内空气，氮气从进样孔进入反应器，从通气孔流出反应器。此外，在新一轮试验开始之前也需要进行氮吹处理，以置换残存在反应器内的CH4。

向反应器腔体内注液时，通气孔需与外界相通，以保证顺利注液，注液完成后应立即关闭通气孔。在取样或者换液时，通气孔连接氮气，保证反应器内气压与外界平衡且无O2进入反应器。

实施例1

步骤(1)：采用三电极体系进行CV扫描制得铁氧化物改性导电碳布：

三电极体系中，以Fe²⁺的前驱体溶液作为电解液，导电基底作为工作电极，钛电极为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极；具体步骤如下：

步骤(1-1)：取200mL醋酸盐缓冲溶液(醋酸钠的浓度为0.2mol/L) 配置10mmol/L的FeSO4溶液，并用醋酸将溶液pH调节为7.0，制得Fe²⁺的前驱体溶液；

步骤(1-2)：将配置好的Fe²⁺的前驱体溶液转移至烧杯中，安装好上述的三电极体系，并连接电化学工作站。

步骤(1-3)：设置工作站CV扫描范围为0.1-1.6V，扫速为50mV/s，扫描圈数为50圈。

步骤(1-4)：步骤(1-3)处理完成后，用去离子水冲洗电极，105℃烘箱1h后制得铁氧化物改性导电碳布。

步骤(2)：在所述铁氧化物改性导电碳布上沉降、形成含厌氧菌的生物膜；具体步骤如下：

步骤(2-1)：安装反应器，阳极室内为碳布电极并充满电解液溶液，如Na2SO4溶液。

步骤(2-2)：将步骤(1)制得的铁氧化物改性导电碳布安装在阴极室中，添加50mL的颗粒污泥微生物营养液，其中厌氧颗粒污泥浓度为2 g/L，体系中的厌氧菌外层为水解酸化菌，内层为产甲烷菌。所述的微生物营养液为NaHCO3 2.0g/L、NaHPO4 8.09g/L、NaH2PO45.08g/L、KCl 0.13g/L、MgSO4·7H2O 0.1g/L、NaCl0.3g/L、NH4Cl 0.31g/L、Na2S 0.2g/L和微量元素。

步骤(2-3)：静置反应器，在重力作用下，颗粒污泥沉积到铁氧化物改性碳布电极上，形成厚为3mm的生物膜。

步骤(3)：所述生物膜在外加电压为0.7V下驯化2个月，反应器内持续、稳定产甲烷。利用该反应器对CO2进行还原。

实施例2

和实施例1不同之处在于，步骤(1)中，采用Cu²⁺的前驱体溶液对导电碳布进行改性。

Cu²⁺的前驱体溶液为浓度为10mmol/L的Cu(CH3COO)2的醋酸缓冲盐溶液，其pH为5.5。

工作站CV扫描范围为-1.0-0.4V，扫速为50mV/s，扫描圈数为50 圈。

对比例1

和实施例1相比，区别在于，不经过步骤(1)处理，直接将未金属氧化物改性的导电碳布进行步骤(2)，即直接在导电碳布上沉积生物膜，制得的生物膜导电碳布再进行步骤(3)处理，驯化后用于CO2的还原。

对比例2

和实施例1相比，区别在于，不经过步骤(1)和步骤(2)处理，直接采用导电碳布作为反应器的阴极材料。

检测实施例1、实施例2、对比例1、和对比例2中反应器内CH4的含量，从而考察反应器内不同阴极材料的还原CO2的能力。

图1中，1号反应器(NO.1reactor)为实施例2测试结果；2号反应器 (NO.2reactor)为实施例1测试结果；3号反应器(NO.3reactor)为对比例1 测试结果，4号反应器(NO.4reactor)为对比例2测试结果。

由图1获知，除4号反应器外，其他反应器均可检测到CH4。4号反应器中无CH4产生，说明导电碳布自身作为阴极材料在极低的电压(0.7V) 下不具备将CO2转化成CH4的能力。

1号反应器和2号反应器的产CH4的能力优于3号反应器，其中，1 号反应器的10天的CH4积累浓度达到了14mmol/L左右，高于2号反应器，是3号反应器的4倍。由此可知，使用经过铁/铜氧化物改性的生物膜做为阴极材料可显著提高反应器的产甲烷能力，且铜氧化物改性生物膜电极的促进作用强于铁氧化物改性生物膜电极。

图2记录了上述1、2、3号反应器运行后的首个12h的电流变化情况。图2所示，刚开始接通电源时，1、2、3号反应器测得的电流分别为20mA、 18mA和14mA。1号反应器内电流最高；1号反应器内电流在7000s时最先出现上升，2号反应器在20000s也有明显的电流上升，3号反应器内电流未呈现出明显的上升趋势。上述现象表明：通过使用Cu改性的碳布电极(铜氧化物改性生物膜电极)具有更强的导电能力，使用Fe改性的碳布电极(铁氧化物改性生物膜电极)导电能力次之，生物膜碳布电极(3号反应器)的导电能力最弱，这也验证了图1所示结果。综上可知，在电流刺激和Fe、Cu催化剂共同作用下，反应器内电极和生物膜之间出现了电子交换过程，通过对导电碳布进行金属氧化物和生物膜的复合改性可提高电子的传导能力，改善二氧化碳的还原效果。

对比例3

和实施例2相比，不同之处在于，步骤(3)中，无外加电压。

对比例4

和实施例1相比，不同之处在于，步骤(3)中，无外加电压。

通过实施例1、实施例2、对比例3和对比例4考察外加电压对反应器中甲烷产量的影响。

图3中，1号反应器(NO.1reactor)为实施例2测试结果；3号反应器 (NO.3reactor)为对比例3测试结果；2号反应器(NO.2reactor)为实施例1 测试结果；4号反应器(NO.4reactor)为对比例4测试结果。

如图3所示，1号反应器内CH4的10天积累浓度为0.015mol/L；2 号反应器CH4的10天积累浓度为0.008mol/L；3号和4号反应器内CH4的10天的积累浓度为0.002mol/L左右。有外加电压下的反应器内CH4的浓度均高于无外加电压的反应器内CH4的浓度，由此可知，外加电压能显著提高厌氧生物膜将CO2还原成CH4的能力。此外，1号反应器内CH4高于2号反应器内CH4的浓度，在通电情况下，Cu改性生物膜阴极对CO2还原的催化还原能力强于Fe改性生物膜阴极。

3号和4号反应器内CH4的浓度非常相似，表明在不通电情况下，主要是产甲烷菌对CO2的还原，铜氧化物改性生物膜电极和铁氧化物改性生物膜电极在不通电时对反应器产CH4的作用不大。可见，在电催化-生物膜体系还原CO2产CH4过程中，单纯产甲烷菌(无电催化)的贡献率约为 13％，碳布电极(未改性，通电)的贡献率约为13％，铁氧化物改性生物膜电极的贡献率约为40％，铜氧化物改性生物膜电极的贡献率约为73％。

外接电源对反应器产CH4能力的促进作用可能有两个原因：(1)间接的电子转移：外接电源后，阴极表面电解水产氢气，氢气作为电子供体为 CO2还原过程提供电子；(2)直接的电子转移：阴极直接为厌氧菌CO2还原过程提供电子来促进CH4的生成。

如图4(图中的标记同图3)所示，除反应器2中检测到的H2明显高于其他反应器内H2浓度外，其他3个反应器内H2的浓度均无明显差异。3 号和4号反应器无外加电压，无法通过电解水产H2，故3号和4号反应器内氢气浓度一直维持在1μmol/L左右的低浓度水平。1号反应器的H2浓度在2μmol/L，2号反应器中H2浓度在3μmol/L左右。

对比例5

和实施例2相比，区别在于，采用实施例2的步骤(1)制得的铜氧化物改性导电碳布作为反应器的阴极材料。

对比例6

和实施例1相比，区别在于，采用实施例1的步骤(1)制得的铁氧化物改性导电碳布作为反应器的阴极材料。

对比例7

和对比例1相比，区别在于，步骤(3)中，无外加电压。

图5中，1号反应器(NO.1reactor)为实施例2的测试结果；2号反应器(NO.2reactor)为实施例1的测试结果；3号反应器(NO.3reactor)为对比例5的测试结果；4号反应器(NO.4reactor)为对比例6的测试结果；5号反应器(NO.5reactor)为对比例7的测试结果。

如图5所示，在无生物膜复合的电极体系内(3号，4号反应器)，无论是使用Fe改性碳布电极还是使用Cu改性碳布电极，10天内均未检测到CH4的生成。1号，2号和5号反应器中为生物膜电极体系，均检测到了CH4；其中，1、2号反应器的CH4浓度大于5号反应器。分析得知，通过Fe和Cu改性的导电碳布作为电极对电还原CO2不具有催化作用，具有还原CO2作用的主要为产甲烷菌生物膜，外加电压和金属氧化物的改性可协同促进产甲烷菌的产甲烷作用。

图6a为实施例2的CO2的还原率图，图6b为实施例1的CO2的还原率图。试验共进行了5个阶段，每个阶段为10天。每个阶段开始时，重新注液(分别为实施例1和实施例2的微生物营养液)，重新计算产物累积量。

如图6a，1号反应器每个阶段的CO2还原率(Total)均高于15％，变化幅度不大，反应器能稳定运行；其中还原为CH4的C的量约占到总量的 13％。如图6b所示，2号反应器每个阶段的C还原率(Total)维持在12％，反应器也能稳定运行。2号反应器每个阶段的C还原率略低于1号反应的 C还原率。

通过对两个反应器内CO2其他还原产物(如甲酸、乙酸；见图6a和 6b中的-COOH)测定发现，1号反应器中CO2还原为甲酸和乙酸的量占到3％左右；2号反应器还原为甲酸、乙酸占到总量的5％左右。使用铜氧化物改性生物膜的反应器还原产物主要为CH4，少部分为甲酸和乙酸；而用铁氧化物改性生物膜的反应器还原产物的甲酸和乙酸比例有所提高。

综上所述，本发明构建的电催化-改性电极生物膜体系能够稳定运行， CO2的还原率高于10％，使用铜氧化物改性生物膜作为阴极的反应器的 CO2还原能力强于铁。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。