一种用于污水处理的水凝胶微电极的制作方法

1.本发明属于环保材料领域，涉及一种用于污水处理的微生物电极。


背景技术：

2.生化降解是污水处理中通用的步骤，然而生化处理后的污水cod往往无法达到最新的排放标准，需要开发一种经济实用的生化后段污水处理技术。微生物电极是一类利用微生物氧化有机底物并且为电极提供电子的装置，这类装置可以利用微生物的代谢活动和微电解的双重作用分解有机污染物，提高污水处理的效率并降低能耗，具有巨大的经济和社会效益。从原理来说，微生物电极中的微生物在阳极氧化污水中的有机底物以产生电子和质子，电子转移至阳极并且通过与阴极室相连的电路流向阴极，阴极室包含氧化剂(例如氧)，电子和质子将所述氧化剂还原，从而产生阳极与阴极之间的电势差，利用这一电势差可形成微电解效应分解污水中醌类、联苯等难以生物降解的有机物，从而进一步降低生化出水的cod指标。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：现有的微生物电极多采用薄膜将微生物固定在电极表面，并通过氧化还原媒介实现电子由微生物活性中心向电极的传递，该方法的缺点之一是空间局限性较大，只能利用电极表面几微米到几十微米的电流，另一缺点在于电极所搭载的微生物的存活和增殖尚缺乏有效的调控手段。本发明通过导电水凝胶的封装，接枝于水凝胶柔性分子链的导电基团替代了流体态的氧化还原媒介，同时，具有仿生结构的水凝胶材料能够提高电极的生物亲和性，延长被包封微生物的活性时间。
4.技术方案：一种用于污水处理的水凝胶微电极，电极由以下材料制备而成：2
‑
甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(mpc)、2
‑
甲基丙烯丁酯(bma)、4
‑
乙烯基苯硼酸(vpba)和单体y的共聚物(pmbvy)，结构如下：其中y为乙烯基二茂铁或下列通式：
其中a为
‑
o
‑
或
‑
nh
‑
，n＝5
‑
12，x为二茂铁(fc)进一步的，所述单体y可由甲基丙烯酸或甲基丙烯酰氯与nh2‑
(ch2)
n
‑
x或ho
‑
(ch2)
n
‑
x 的酯化或酰胺化制备；所述pmbvy可由上述四种单体通过自由基聚合反应而成。进一步的，所述电极的制备方法如下：(1)将pmbvy和微生物溶解在培养液中，记为组分i，其中pmbvy与培养液的组分比为5:95；(2)将聚乙烯醇(pva)溶解在去离子水中，记为组分ii，其中聚乙烯醇的质量百分比为5％；(3)使用凝胶颗粒成型装置制备微电极；(4)将制备好的微电极在4℃保存于培养液中备用。进一步的，所述步骤(1)微生物为希瓦氏菌。进一步的，所述步骤(3)中凝胶颗粒成型装置结构如图1所示。进一步的，所述成型装置中，各组分至三通器之间的管路内径为0.5
‑
1.5mm，三通器至出口的管路内径为1.0
‑
3.0mm。进一步的，所述成型装置中，蠕动泵的流速为30
‑
100rpm。进一步的，所述胶电极需要在厌氧环境中使用，可在生化出水后加入厌氧池，也可在生化处理中的厌氧池中使用。有益效果本发明结合了生物处理和电化学处理的优点，对污水的处理深度较高，不需要额外的能耗和强酸、强氧化剂的使用，相对经济安全，同时具有污泥较少，可循环使用等优点。
附图说明
图1为凝胶颗粒成型装置结构图。图2为采用实施例一微电极处理污水前后照片对比。
具体实施方式
实施例一：(1)将mpc、bma、vpba和乙烯基二茂铁按照0.5:0.2:0.1:0.2的摩尔比溶于无水乙
醇，单体总浓度为1mol/l，加入10mm的偶氮二异丁腈(aibn)，在氩气保护下将溶液升温至60℃并反应48h，将反应产物在0.1:0.9的氯仿/乙醚混合溶剂中沉淀并收集固体产物得到pmbvy，将pmbvy溶于去离子水并减压蒸馏除去有机溶剂；(2)将pmbvy溶液与载有西瓦氏菌的培养液混合，pmbvy的最终质量百分比为5％，记为组分i；(3)将pva溶于去离子水，pva的最终质量百分比为5％，记为组分ii；(4)使用凝胶颗粒成型装置制备凝胶电极，蠕动泵转速设置为60rpm，将制备好的微电极在4℃保存于培养液中备用。实施例二：(1)将10mmol/l甲基丙烯酰氯溶于二氯甲烷(dmc，含0.1mm阻聚剂)，在0℃下加入 10mmol/l的三乙胺并逐滴加入10mmol/l的ho
‑
(ch2)5‑
fc，反应4h后过滤除去三乙胺盐沉淀，加入去离子水洗去阻聚剂，有机相经真空干燥后用清洗，再次进行干燥，得到单体y；(2)将mpc、bma、vpba和单体y按照0.5:0.2:0.1:0.2的摩尔比溶于无水乙醇，单体总浓度为1mol/l，加入10mm的偶氮二异丁腈(aibn)，在氩气保护下将溶液升温至60 ℃并反应48h，将反应产物在0.1:0.9的氯仿/乙醚混合溶剂中沉淀并收集固体产物得到 pmbvy，将pmbvy溶于去离子水并减压蒸馏除去有机溶剂；(3)将pmbvy溶液与载有西瓦氏菌的培养液混合，pmbvy的最终质量百分比为5％，记为组分i；(4)将pva溶于去离子水，pva的最终质量百分比为5％，记为组分ii；(5)使用凝胶颗粒成型装置制备凝胶电极，蠕动泵转速设置为30rpm，将制备好的微电极在4℃保存于培养液中备用。实施例三：(1)将10mmol丙烯酸溶于1l水中，加入0.1mmol阻聚剂，搅拌溶解后加入10mmol的edc，逐滴加入200ml含有50mmol/l nh2‑
(ch2)5‑
fc的乙醇溶液，反应4h后过滤收集不溶物，依次用石油醚和去离子水清洗后真空干燥，得到单体y；(2)将mpc、bma、vpba和单体y按照0.5:0.2:0.1:0.2的摩尔比溶于无水乙醇，单体总浓度为1mol/l，加入10mm的偶氮二异丁腈(aibn)，在氩气保护下将溶液升温至60 ℃并反应48h，将反应产物在0.1:0.9的氯仿/乙醚混合溶剂中沉淀并收集固体产物得到 pmbvy，将pmbvy溶于去离子水并减压蒸馏除去有机溶剂；(3)将pmbvy溶液与载有西瓦氏菌的培养液混合，pmbvy的最终质量百分比为5％，记为组分i；(4)将pva溶于去离子水，pva的最终质量百分比为5％，记为组分ii；(5)使用凝胶颗粒成型装置制备凝胶电极，蠕动泵转速设置为30rpm，将制备好的微电极在4℃保存于培养液中备用。实验：某垃圾电厂渗沥液生化出水中cod＝640mg/l，在1l上述生化出水中加入1g实施例一的微电极，30rpm搅拌1h，静置沉降1h，过滤除去微球后测得处理后出水cod＝85mg/l。处理前后污水图2所示。