一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微生物燃料电池领域，是在现有微生物燃料电池的研究基础上，确定一种制作简单、对生物无害、稳定且廉价的适用于微生物燃料电池的原位微生物固定化方法。
【背景技术】
[0002]能源是维持人类生存和社会持续和谐发展的物质基础和重要资源。据统计，当今世界对能源的利用86%是来自于化石燃料资源，如石油和煤炭等。快速增长的人口规模给我们的环境和能源等物资带来了巨大的压力，威胁着人类文明的持续发展。目前，化学燃料资源正面临着储备总量严重不足，开采环节复杂，利用效率不高，不可再生和燃烧后产生大量污染气体与残渣等环境废物等严重问题。显然，人类的进步、社会的发展和经济的腾飞加快了石油煤炭等化石资源的消耗，化石燃料将难以支撑世界经济的发展和高速的人口增长。国际能源机构预测，到2030年全球能源实际需求将增加50%以上，而石油资源预计将在未来100年左右枯竭。因此，人们将更多的关注放在如何减少0)2的排放和提高能源利用效率的研究上，新能源的可再生和“碳中性”已成为大家的共识。
[0003]为解决化石能源紧张和能源绿色化的问题，替代传统化石能源的新能源的研究正广泛开展。近年来，太阳能系统、空气风车和燃料电池的研究也取得了令人瞩目的成果。研究表明，生物质能是一种非常有潜力的可再生资源，也是重要的能源化工原料来源。到目前为止，生物质能已成为全球第四大资源，仅次于煤、石油和天然气之后，约占全球总能耗的14%，但随着粮食危机的逐步显现，以粮食为基础的生物质能已经出现了与人争粮食的问题，这也促使了人们对生物质能新来源的探索。
[0004]环境中的微生物来源丰富，也是许多重要营养物质、抗生素、免疫抑制剂等一次或二次代谢物的重要来源。众所周知，微生物能从有机物中产生酒精、甲烷、氢气等燃料，除此之外，微生物还能将有机物转化成电能。因此，微生物燃料电池提供了从有机废物中回收电能和可再生生物质的可能性，被广泛关注。作为环境可持续行发展的一个解决措施，微生物燃料电池能在去除污染物的同时产生电能，在当今能源日益紧缺的情况下，具有重要的研究意义。
[0005]微生物燃料电池的理论产能较高，根据能斯特方程，当以乙酸为电子供体，氧气为电子受体时，微生物燃料电池阳极和阴极的理论电势分别为-0.3V(vs NHE)和0.8V(vsNHE)，由此算出的两电极之间的理论产生电压为1.1V，但是，由于电极电势上的损耗(如活化极化、浓差极化和欧姆损失)，目前研究所观测到的微生物燃料电池的开路电压大大低于理想状态，电势上的差异的影响因素还包括电子供体、电子受体和接种物等。另外，电极材料、底物浓度、离子强度、温度、PH值和反应器构造等都可能影响MFC的产电性能。
[0006]微生物燃料电池技术具有较大的潜在应用价值，并且关于微生物燃料电池的研究也取得了一系列的进展，但是，微生物燃料电池在废水处理中还存在着一些不足之处，主要包括:(I)输出功率较低，微生物燃料电池的普遍输出功率小于2W/m2，与传统燃料电池IW/cm2的输出功率相比仍有较大的差距，而用微生物燃料电池处理实际废水时输出功率则更低，一般小于0.1ff/m2 ； (2)尚无适合微生物燃料电池扩大化的电池构型，双室微生物燃料电池需要质子交换膜和各种阴极电子受体，价格昂贵，使得电池的制作成本较高，而单室空气阴极微生物燃料电池阴极制作复杂且催化剂昂贵，也不利于微生物燃料电池的扩大化；(3)阳极的微生物活动及产生的输出电压受环境和操作条件的影响较大，目前微生物燃料电池通常在30°C，pH中性及有机物浓度较低(lgCOD/L)的条件下运行，对加入阳极室的基质(有机物、实际废水等)要求较高，若将实际废水进行预处理以达基质要求会增加处理成本，不利于微生物燃料电池的实际应用与推广。
[0007]微生物燃料电池技术作为一种生物废水处理技术，由于产电细菌的生长需要，在处理废水时需要更多地考虑所处理的废水是否对产电细菌产生毒害作用，从而限制了其应用。而微生物固定化技术在废水处理中具有抗毒性冲击能力强，对环境变化不敏感等特点，将其与微生物燃料电池技术相结合能解决微生物燃料电池处理废水所面临的问题。
[0008]本发明是以微生物固定化技术为研究对象，在现有的微生物燃料电池的研究基础上，采用原位固定化微生物燃料电池阳极微生物，通过琼脂糖凝胶包埋法将其应用微生物燃料电池的阳极中，通过测试微生物燃料电池的产电性能及凝胶稳定性等，确定适用于微生物燃料电池阳极的一种制作简单、对生物无害、稳定且廉价的适用于微生物燃料电池的原位微生物固定化方法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是通过琼脂糖凝胶包埋法原位固定化微生物燃料电池阳极微生物，提供一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法。
[0010]本发明主要解决的技术问题是实现产电微生物原位固定化，达到微生物燃料电池可稳定处理高浓度有机物的同时，高效实现输出产电的目的。
[0011]为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是:
一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，包括以下步骤:
(1)微生物燃料电池接种城市污水厂进水，加入乙酸钠等基质，启动后实现阳极富集产电微生物的过程；
(2)称取一定质量的琼脂糖置于磷酸盐缓冲溶液(8g/L氯化钠、0.2g/L氯化钾、1.44g/L磷酸氢二钠、0.24g/L磷酸二氢钾，调节pH为7.4)中，控制体积比1:1?10:1000，加热至完全溶解；
(3)将溶解的琼脂糖溶液倒入培养皿中，在30?50°C条件下将微生物燃料电池的阳极浸入琼脂糖溶液中；
(4)控制琼脂糖凝胶的形成时间为10?100分钟，用大量去离子水冲洗干净，得到琼脂糖固定化微生物燃料电池产电微生物阳极；
(5)将固定化好的阳极装入反应器中运行，确定产电性能的变化。
[0012]本发明所提供的一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法的优点在于:琼脂糖凝胶强度适中且不影响微生物燃料电池的正常产电，是适合微生物燃料电池长期运行的微生物固定化材料与方法。
【附图说明】
[0013]附图1是琼脂糖固定化与未固定微生物燃料电池的产电曲线示意图。
[0014]附图2是琼脂糖固定化与未固定微生物燃料电池在不同基质浓度下功率密度与电流密度曲线示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
[0016]—种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，包括以下步骤:
(1)微生物燃料电池接种城市污水厂进水，加入乙酸钠等基质，启动后实现阳极富集产电微生物的过程；
(2)称取一定质量的琼脂糖置于磷酸盐缓冲溶液(8g/L氯化钠、0.2g/L氯化钾、1.44g/L磷酸氢二钠、0.24g/L磷酸二氢钾，调节pH为7.4)中，控制体积比1:1?10:1000，加热至完全溶解；
(3)将溶解的琼脂糖溶液倒入培养皿中，在30?50°C条件下将微生物燃料电池的阳极浸入琼脂糖溶液中；
(4)控制琼脂糖凝胶的形成时间为10?100分钟，用大量去离子水冲洗干净，得到琼脂糖固定化微生物燃料电池产电微生物阳极；
(5)将固定化好的阳极装入反应器中运行，确定产电性能的变化。
[0017]根据实验结果验证，通过琼脂糖固定化后的产电微生物阳极，在以乙酸钠基质为底物的微生物燃料电池中可保持性能稳定，随着产电周期的增加，微生物燃料电池的最大输出电压提高到0.4?0.6V。
[0019]根据实验结果验证，在微生物燃料电池的长期运行中琼脂糖凝胶强度适中且不影响微生物燃料电池的正常产电，是适合微生物燃料电池长期运行的微生物固定化材料与方法。
【主权项】
1.一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)微生物燃料电池接种城市污水厂进水，加入乙酸钠等基质，启动后实现阳极富集产电微生物的过程； (2)称取一定质量的琼脂糖置于磷酸盐缓冲溶液(SgAJC化钠、0.2g/L氯化钾、1.44g/L磷酸氢二钠、0.24g/L磷酸二氢钾，调节pH为7.4)中，控制质量体积比1:1?10:1000，加热至完全溶解； (3)将溶解的琼脂糖溶液倒入培养皿中，在30?50°C条件下将微生物燃料电池的阳极浸入琼脂糖溶液中； (4)控制琼脂糖凝胶的形成时间为10?100分钟，用大量去离子水冲洗干净，得到琼脂糖固定化微生物燃料电池产电微生物阳极； (5)将固定化好的阳极装入反应器中运行，确定产电性能的变化。2.根据权利要求1所述的一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，其特征是:通过琼脂糖固定化后的产电微生物阳极，在以乙酸钠基质为底物的微生物燃料电池中可保持性能稳定，随着产电周期的增加，微生物燃料电池的最大输出电压提高到0.4?0.6伏。3.根据权利要求1所述的一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，其特征是:琼脂糖固定化后的产电微生物阳极，在高浓度有机物底物的条件下，可实现稳定运行，当采用15g/L乙酸钠为基质时，最大输出电压达到450mV，远高于未固定化的产电微生物的阳极。
【专利摘要】本发明涉及一种原位固定化微生物燃料电池阳极微生物的方法，属于微生物燃料电池领域，通过采用琼脂糖凝胶包埋法原位固定化微生物燃料电池阳极产电菌群，控制琼脂糖凝胶的浓度比例、凝胶溶解形成的温度和时间，使得固定化后的微生物燃料电池性能明显高于非固定化的微生物燃料电池，琼脂糖凝胶包埋法原位固定化适合微生物燃料电池长期稳定运行。
【IPC分类】H01M4/88, H01M8/16
【公开号】CN105655598
【申请号】
【发明人】刘广立, 杨昆鹏, 余淑贤, 骆海萍, 卢耀斌, 张仁铎
【申请人】中山大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月30日