生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法、裝置及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法、裝置及其應(yīng)用。該裝置包括生物膜電極馴化單元、可調(diào)電阻控制電路板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中生物膜電極馴化單元主要為厭氧環(huán)境下產(chǎn)電細(xì)菌富集、生物膜電極批量馴化場(chǎng)所，可調(diào)電阻控制電路板用于調(diào)節(jié)生物膜電極外電路負(fù)載電阻，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于負(fù)載電阻兩端電勢(shì)差及其他相關(guān)電化學(xué)參數(shù)的采集、記錄與分析，該裝置操作方便、性能穩(wěn)定，可為應(yīng)用前景巨大的生物電化學(xué)系統(tǒng)提供多組覆膜良好、性能高效的生物膜電極。同時(shí)，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)多組生物膜電極快速集成馴化培養(yǎng)，并建立電化學(xué)評(píng)價(jià)方法確立生物膜電極成熟標(biāo)志，能夠?yàn)樯镫娀瘜W(xué)系統(tǒng)在生物質(zhì)產(chǎn)能、污染物降解等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
【專利說明】生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法、裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法、裝置及其應(yīng)用，是一種將產(chǎn)電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程相結(jié)合的方法，可在該裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)多組生物膜電極集成馴化，推進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，能源短缺和環(huán)境污染是全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻問題與關(guān)注焦點(diǎn)。生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemical systems, BESs)因其同步生物質(zhì)產(chǎn)能、污染物降解特點(diǎn)，在能源與環(huán)境領(lǐng)域受到研究者廣泛關(guān)注，近年來已在產(chǎn)電產(chǎn)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(yīng)用。常見的BESs系統(tǒng)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(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，即將未經(jīng)處理的污水變成干凈水的同時(shí)發(fā)電；后者則在微生物作用下將廢水有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)生清潔高效能氫能源。相比于傳統(tǒng)方法，生物電化學(xué)技術(shù)可在微生物代謝生物質(zhì)的同時(shí)產(chǎn)電產(chǎn)氫，并具有裝置簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、能耗較低等特點(diǎn)。
[0003]常規(guī)生物電化學(xué)系統(tǒng)中，由于陽(yáng)極的產(chǎn)電微生物富集過程緩慢并且富集程度不同，導(dǎo)致生物電化學(xué)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，性能不一。在生物電化學(xué)系統(tǒng)中直接安裝馴化成熟的生物膜電極可大大加快系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為進(jìn)一步推進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)的科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用，多組性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)相似的生物膜電極需要批量集成馴化。與常規(guī)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(jìn)行生物膜電極馴化，由于陰陽(yáng)兩極存在的電位差，在微電場(chǎng)作用下產(chǎn)電微生物可在陽(yáng)極高度富集。同時(shí)，多組生物膜電極在統(tǒng)一體系內(nèi)集成馴化、線路集成連接，避免了因接種物、底物濃度、環(huán)境條件等差異而導(dǎo)致的生物膜組成結(jié)構(gòu)不同及多個(gè)MFC運(yùn)行馴化的復(fù)雜，具有裝置簡(jiǎn)便美觀、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前生物膜電極馴化缺乏系統(tǒng)的操作策略，成熟生物膜電極的判定也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)中存在的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作簡(jiǎn)單的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法和裝置，并據(jù)此提出可靠的運(yùn)行策略。本發(fā)明采用的技術(shù)方案概況如下:
一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法，將產(chǎn)電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程相結(jié)合；微電場(chǎng)刺激下產(chǎn)電微生物在陽(yáng)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(chǎn)生電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電微生物在陽(yáng)極的定向富集；微電場(chǎng)刺激下產(chǎn)電微生物在陽(yáng)極定向富集，從而實(shí)現(xiàn)生物膜電極集成馴化；將多個(gè)微生物燃料電池并聯(lián)，每個(gè)微生物燃料電池自成一體，分別由陰極、生物陽(yáng)極、可調(diào)電阻控制電路板負(fù)載電阻形成完整回路，同時(shí)所有陰極、生物陽(yáng)極處于同一個(gè)陰極室和陽(yáng)極室，在一致的培養(yǎng)條件下確保生物膜電極集成馴化。
[0005]一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置，包括生物膜電極馴化單元、可調(diào)電阻控制電路板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，生物膜電極馴化單元主要為厭氧環(huán)境下產(chǎn)電細(xì)菌富集、生物膜電極批量馴化場(chǎng)所，可調(diào)電阻控制電路板用于調(diào)節(jié)生物膜電極外電路負(fù)載電阻，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于負(fù)載電阻兩端電勢(shì)差及其他相關(guān)電化學(xué)參數(shù)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(yáng)極室、質(zhì)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(yáng)極、參比電極以及導(dǎo)電鈦線；
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道數(shù)據(jù)采集器和裝有數(shù)據(jù)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(yáng)極室由質(zhì)子交換膜分隔，通過法蘭固定，陰極室和陽(yáng)極室正對(duì)分別設(shè)置多組陰極孔槽、陽(yáng)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(shè)置在陽(yáng)極室頂部陽(yáng)極孔槽附近，陰極和生物陽(yáng)極分別通過導(dǎo)電鈦線連接并固定于陰極孔槽和陽(yáng)極孔槽，參比電極固定在參比電極孔槽，兩極室和兩側(cè)間隔均勻設(shè)置三個(gè)排水口，并安裝閥門用于水樣采集及營(yíng)養(yǎng)液更換，馴化裝置外部用石蠟密封保持其厭氧環(huán)境。對(duì)應(yīng)陰極和生物陽(yáng)極連接的導(dǎo)電鈦線通過導(dǎo)線與可調(diào)電阻控制電路板接線端子相連，多通道數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集通道并聯(lián)于可調(diào)電阻控制電路板電阻兩端，多通道數(shù)據(jù)采集器連接裝有數(shù)據(jù)記錄軟件 的電腦。
[0006]所述的陰極為304不銹鋼網(wǎng)電極，生物陽(yáng)極為石墨氈電極，質(zhì)子交換膜為CMI7000。
[0007]所述的可調(diào)電阻控制電路板，由十組接線端子，電阻值分別為10Ω、50Ω、100Ω、300 Ω、500Ω、750Ω、1000 Ω、3000Ω、7500Ω、10000 Ω的電阻，與相應(yīng)的撥碼開關(guān)連接而
成，每對(duì)陰極和生物陽(yáng)極連接一組接線端子，通過控制撥碼開關(guān)，同時(shí)控制所有微生物燃料電池的負(fù)載。
[0008]使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，擁有多組數(shù)據(jù)采集端口，每個(gè)數(shù)據(jù)采集端口包括一根陰極接線、一根陽(yáng)極接線和一根參比電極接線，每個(gè)數(shù)據(jù)采集端口陰陽(yáng)極接線以并聯(lián)的方式連接于相應(yīng)陰極和生物陽(yáng)極所接可調(diào)電阻控制電路板負(fù)載電阻接線端子的兩端，參比電極接線連于參比電極，通過多通道數(shù)據(jù)采集器連接的裝有數(shù)據(jù)記錄軟件的電腦，同時(shí)采集每對(duì)電極的負(fù)載電壓及陽(yáng)極電位，進(jìn)而繪制極化曲線。
[0009]一種所述的裝置的應(yīng)用方法，步驟如下，
1)、電極預(yù)處理:所述的生物陽(yáng)極使用前分別經(jīng)Irnol.!/1NaOH和Imol -1 HCl浸泡24h后，保存在超純水中待用；陰極在70%酒精中超聲20min，超純水洗凈后繼續(xù)超聲20min，浸泡在超純水中待用；質(zhì)子交換膜在Ig -L-1NaCl中浸泡4h，恢復(fù)其通透性后裝入生物膜電極集成馴化單元；導(dǎo)電鈦線經(jīng)細(xì)砂紙打磨光滑后備用；
2)、生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置啟動(dòng):在陰極室和陽(yáng)極室中分別加入富集培養(yǎng)液和陰極電解液，然后在陽(yáng)極室進(jìn)行接種，接種物取自造紙廠廢水處理站的厭氧污泥，以研缽磨碎并通過0.45_篩網(wǎng)過濾獲得；陽(yáng)極室以蔗糖Ig -1作為底物，陰極室以鐵氰化鉀50mmol.L—1和碳酸氫鈉2g.L—1混合液作為電解液；
并在30±3°C恒溫條件下啟動(dòng)裝置，在1000 Ω外阻下連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，定期監(jiān)測(cè)所述裝置的輸出電壓、陽(yáng)極電位，以及電路電流，當(dāng)輸出電流低于20mA時(shí)按體積比1:1更換培養(yǎng)液；
通過電阻控制電路板逐步改變負(fù)載電阻至50 Ω，當(dāng)陽(yáng)極未出現(xiàn)過電位時(shí)，即陽(yáng)極電勢(shì)比較平穩(wěn)并未驟增甚至為正值，則測(cè)得相應(yīng)的輸出電壓并繪制陽(yáng)極極化曲線；若通過電阻控制電路板逐步改變負(fù)載電阻至50Ω，當(dāng)陽(yáng)極出現(xiàn)過電位時(shí)，則回調(diào)到1000Ω外阻下繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，然后調(diào)節(jié)負(fù)載電阻至50 Ω，當(dāng)陽(yáng)極不出現(xiàn)過電位后繪制陽(yáng)極極化曲線，若當(dāng)陽(yáng)極出現(xiàn)過電位時(shí)，進(jìn)行上述循環(huán)操作，直至陽(yáng)極不出現(xiàn)過電位后繪制陽(yáng)極極化曲線；
3)、多組電極馴化成功判斷:在電路電流大于2.0mA條件下，陽(yáng)極電位仍在_150mV至-250 mV時(shí)，據(jù)此判斷單組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極馴化成功，陽(yáng)極極化曲線用于判斷多組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極覆膜情況、成熟情況以及平行性；
4)、多組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極的應(yīng)用:選擇成熟相似的生物陽(yáng)極5安置于生物電化學(xué)體系BESs進(jìn)行應(yīng)用。 [0010]所述的陽(yáng)極極化曲線繪制如下:多組陽(yáng)極極化曲線進(jìn)行批量繪制，通過電阻控制電路板調(diào)節(jié)多組電極負(fù)載，依次為10 Ι?Ω，5 kQ, 3 kQ, 500 Ω, 300 Ω , 100 Ω , 50 Ω ,10 Ω，監(jiān)測(cè)不同負(fù)載電阻下的陽(yáng)極電勢(shì)，每次穩(wěn)定1.5 h^2 h。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:這種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法、裝置及其應(yīng)用，將多組生物膜電極在統(tǒng)一體系內(nèi)集成馴化。該裝置結(jié)構(gòu)合理，功能性良好，并提供一種生物膜電極快速集成馴化策略以及生物膜電極特性評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)生物膜電極馴化簡(jiǎn)單化、穩(wěn)定化、批量化，為生物電化學(xué)體系BESs在污染物處理以及產(chǎn)能等領(lǐng)域的科學(xué)研究與推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2a、2b分別是生物電化學(xué)系統(tǒng)生物膜電極馴化單元的俯視圖和剖面圖；
圖3是生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極馴化流程圖；
圖4是可調(diào)電阻控制電路板結(jié)構(gòu)圖；
圖5是生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極的陽(yáng)極極化曲線；
圖中，陰極室1、陽(yáng)極室2、質(zhì)子交換膜3、陰極4、生物陽(yáng)極5、陰極孔槽6、參比電極孔槽
7、陽(yáng)極孔槽8、導(dǎo)電鈦線9、參比電極10、排水口 11、電阻控制電路板12、多通道數(shù)據(jù)采集器13、電腦14。其中，電極j作為示例連接可調(diào)電阻控制電路板和數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)際電極a~i均連接可調(diào)電阻控制電路板和數(shù)據(jù)采集裝置)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明在一個(gè)長(zhǎng)方形的微生物燃料電池殼體內(nèi)平行正對(duì)設(shè)置多組電極對(duì)，相當(dāng)于多個(gè)傳統(tǒng)微生物燃料電池并聯(lián)而成。每對(duì)陰陽(yáng)電極電勢(shì)差在電極周圍營(yíng)造微電場(chǎng)，刺激產(chǎn)電微生物富集在電極表面形成生物膜電極。生物陽(yáng)極附著的產(chǎn)電微生物氧化底物產(chǎn)生電子，通過閉合外電路傳遞至陰極被陰極室氧化態(tài)物質(zhì)吸收，從而外電路形成電流。這種生物膜電極馴化方法將產(chǎn)電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程有機(jī)結(jié)合。
[0014]本發(fā)明涉及的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置，主要包括生物膜電極馴化單元、可調(diào)電阻控制電路板以及多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。生物膜電極馴化單元主要由陽(yáng)極室、陰極室和質(zhì)子交換膜組成，極室內(nèi)部通過導(dǎo)線鈦線、頂部預(yù)留的電極孔槽和膠塞平行設(shè)置多對(duì)電極，陰極為不銹鋼網(wǎng)，陽(yáng)極為石墨氈，參比電極為Ag/AgCl電極。電極通過導(dǎo)線與電阻控制電路板上對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻的接線端子相連，形成回路。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多通道數(shù)據(jù)采集器和裝有數(shù)據(jù)記錄軟件的電腦組成，多通道數(shù)據(jù)采集器的每組采集端口線分別連接一對(duì)電極的負(fù)載兩端，參比電阻線連接參比電極，同時(shí)完成每個(gè)電極對(duì)的負(fù)載兩端電勢(shì)差以及陽(yáng)極電位的采集、記錄與分析?？烧{(diào)電阻控制電路板將所有負(fù)載電阻集成優(yōu)化，通過撥碼開關(guān)調(diào)節(jié)每個(gè)負(fù)載的電阻，從而實(shí)現(xiàn)每對(duì)電極的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、極化曲線繪制。
[0015]在本發(fā)明涉及的微生物燃料電池殼體內(nèi)設(shè)置多組平行放置的電極對(duì)進(jìn)行集成馴化，這不是多個(gè)微生物燃料電池的簡(jiǎn)單疊加，而是賦予每組電極對(duì)相同的接種物種類、底物濃度、生長(zhǎng)環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)生物膜電極馴化簡(jiǎn)單化、穩(wěn)定化、批量化。
[0016]以下通過實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0017]實(shí)施例1
該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中生物膜馴化單元由陰極室I和陽(yáng)極室2組成，中間由質(zhì)子交換膜隔開，并由法蘭緊密固定，內(nèi)部通過固定裝置安裝有十組生物電極體系。其中，陰極室I和陽(yáng)極室2殼體均采用有機(jī)玻璃制成，長(zhǎng)均為60cm，寬均為5cm，高為13cm，有效體積均為3.9L。質(zhì)子交換膜采用CMI7000，規(guī)格為70cmX15cm。生物電極體系由正對(duì)生物陰極4、生物陽(yáng)極5和參比電極10組成，生物陰極4通過導(dǎo)電鈦線9連接并固定于陰極室I頂端設(shè)置的陰極空槽6的硅膠塞上；生物陽(yáng)極5通過導(dǎo)電鈦線9連接并固定于陽(yáng)極室2頂端設(shè)置的陽(yáng)極空槽8的硅膠塞上；參比電極10固定于陽(yáng)極室2頂部設(shè)置的陽(yáng)極空槽6對(duì)應(yīng)的參比電極孔槽7上。陰極空槽6、陽(yáng)極空槽8和參比電極孔槽7，直徑均為1cm，陰極空槽6和陽(yáng)極空槽8間距為3cm，陽(yáng)極空槽8和參比電極孔槽7間距為1cm，硅膠塞與有機(jī)玻璃接合處用密封帶和石蠟依次固定密封。生物陰極4為304不銹鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為60目，生物陽(yáng)極5為石墨租,兩電極均為寬5cm、長(zhǎng)20cm,有效正對(duì)面積100cm2。每對(duì)電極(4和5)連接的導(dǎo)電鈦線9通過導(dǎo)線與可調(diào)電阻控制電路板12接線端子相連，可調(diào)電阻控制電路板12負(fù)載電阻兩端并聯(lián)多通道數(shù)據(jù)采集器13采集端，多通道數(shù)據(jù)采集器13與電腦14相連。
[0018]上述的生物膜電極集成馴化裝置的運(yùn)行策略簡(jiǎn)述如下:
1、電極預(yù)處理:石墨氈陽(yáng)極分別經(jīng)Imol.L—1 NaOH和Imol.L—1 HCl浸泡24h后，保存在超純水中待用；不銹鋼網(wǎng)陰極在70%酒精中超聲20min，用超純水沖洗干凈后繼續(xù)超聲20min，浸泡在超純水中待用；質(zhì)子交換膜(CMI7000)在Ig.L^1NaCl中浸泡4h，恢復(fù)其通透性后裝入馴化裝置；導(dǎo)電鈦線使用細(xì)砂紙打磨光滑后備用。
[0019]2、生物膜電極集成馴化裝置啟動(dòng):圖2a、2b為生物膜電極集成馴化裝置的俯視圖和剖面圖，裝置啟動(dòng)前，分別陰極室I和陽(yáng)極室2中分別加入富集培養(yǎng)液和陰極電解液，富集培養(yǎng)液為Ig.L—1 COD母液(具體配方如表1所示)、50mmol.L—1磷酸緩沖溶液(200mmol.L-1 KH2PO4 和 200mmol.L-1 Na2HPO4,按 2:3 混合，ρΗ=7.0)，陰極電解液為5OmmoI *L_1 K3Fe (CN) 6、2g.L4 NaHCO3。此外,在陽(yáng)極添加接種物,取自某造紙廠厭氧污泥,經(jīng)研磨后過0.45mm不銹鋼篩，接種物與富集培養(yǎng)液的體積比為1:3，污泥濃度控制在2g噸人
[0020]表1 COD 母液配方(g.L—1)
【權(quán)利要求】
1.一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化方法，其特征在于:將產(chǎn)電微生物定向富集與生物膜電極集成馴化兩種過程相結(jié)合；微電場(chǎng)刺激下產(chǎn)電微生物在陽(yáng)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(chǎn)生電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電微生物在陽(yáng)極的定向富集；微電場(chǎng)刺激下產(chǎn)電微生物在陽(yáng)極定向富集，從而實(shí)現(xiàn)生物膜電極集成馴化；將多個(gè)微生物燃料電池并聯(lián)，每個(gè)微生物燃料電池自成一體，分別由陰極、生物陽(yáng)極、可調(diào)電阻控制電路板負(fù)載電阻形成完整回路，同時(shí)所有陰極、生物陽(yáng)極處于同一個(gè)陰極室和陽(yáng)極室，在一致的培養(yǎng)條件下確保生物膜電極集成馴化。
2.一種生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置，其特征在于:包括生物膜電極馴化單元、可調(diào)電阻控制電路板(12)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，生物膜電極馴化單元主要為厭氧環(huán)境下產(chǎn)電細(xì)菌富集、生物膜電極批量馴化場(chǎng)所，可調(diào)電阻控制電路板(12)用于調(diào)節(jié)生物膜電極外電路負(fù)載電阻，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于負(fù)載電阻兩端電勢(shì)差及其他相關(guān)電化學(xué)參數(shù)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(I)、陽(yáng)極室(2)、質(zhì)子交換膜(3)和多組電極體系，所述的電極體系包括陰極(4)、生物陽(yáng)極(5)、參比電極(10)以及導(dǎo)電鈦線(9)； 所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道數(shù)據(jù)采集器(13)和裝有數(shù)據(jù)記錄軟件的電腦(14)； 所述的生物膜電極馴化單元的陰極室(I)和陽(yáng)極室(2)由質(zhì)子交換膜(3)分隔，通過法蘭固定，陰極室(I)和陽(yáng)極室(2)正對(duì)分別設(shè)置多組陰極孔槽(6)、陽(yáng)極孔槽(8)和參比電極孔槽(7)用于電極固定，其中參比電極孔槽(7)設(shè)置在陽(yáng)極室頂部陽(yáng)極孔槽(8)附近，陰極(4)和生物陽(yáng)極(5)分別通過導(dǎo)電鈦線(9)連接并固定于陰極孔槽(6)和陽(yáng)極孔槽(8)，參比電極(10 )固定在參比電極孔槽(7 )，兩極室(I)和(2 )兩側(cè)間隔均勻設(shè)置三個(gè)排水口( 11 )，并安裝閥門用于水樣采 集及營(yíng)養(yǎng)液更換，馴化裝置外部用石蠟密封保持其厭氧環(huán)境； 對(duì)應(yīng)陰極(4)和生物陽(yáng)極(5)連接的導(dǎo)電鈦線(9)通過導(dǎo)線與可調(diào)電阻控制電路板(12)接線端子相連，多通道數(shù)據(jù)采集器(13)數(shù)據(jù)采集通道并聯(lián)于可調(diào)電阻控制電路板(12)電阻兩端，多通道數(shù)據(jù)采集器(13)連接裝有數(shù)據(jù)記錄軟件的電腦(14)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述的陰極(4)為304不銹鋼網(wǎng)電極，生物陽(yáng)極(5)為石墨氈電極，質(zhì)子交換膜(3)為CMI7000。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述的可調(diào)電阻控制電路板(12)，由十組接線端子，電阻值分別為 10Ω、50Ω、100 Ω、300Ω、500Ω、750Ω、1000 Ω、3000Ω、7500Ω、10000 Ω的電阻，與相應(yīng)的撥碼開關(guān)連接而成，每對(duì)陰極(4)和生物陽(yáng)極(5)連接一組接線端子，通過控制撥碼開關(guān)，同時(shí)控制所有微生物燃料電池的負(fù)載電阻。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:使用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(13)，擁有多組數(shù)據(jù)采集端口，每個(gè)數(shù)據(jù)采集端口包括一根陰極接線、一根陽(yáng)極接線和一根參比電極接線，每個(gè)數(shù)據(jù)采集端口陰陽(yáng)極接線以并聯(lián)的方式連接于相應(yīng)陰極(4)和生物陽(yáng)極(5)所接可調(diào)電阻控制電路板(12)負(fù)載電阻接線端子的兩端，參比電極接線連于參比電極(10)，通過多通道數(shù)據(jù)采集器(13)連接的裝有數(shù)據(jù)記錄軟件的電腦(14)，同時(shí)采集每對(duì)電極的負(fù)載電壓及陽(yáng)極電位，進(jìn)而繪制極化曲線。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置的應(yīng)用方法，其特征在于:步驟如下， I)、電極預(yù)處理:所述的生物陽(yáng)極使用前分別經(jīng)Imol.L—1 NaOH和Imol.L—1 HCl浸泡24h后，保存在超純水中待用；陰極(4)在70%酒精中超聲20min，超純水洗凈后繼續(xù)超聲.20min，浸泡在超純水中待用；質(zhì)子交換膜(3)在1g.T1NaCl中浸泡4h，恢復(fù)其通透性后裝入生物膜電極集成馴化單元；導(dǎo)電鈦線(9)經(jīng)細(xì)砂紙打磨光滑后備用； .2)、生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極集成馴化裝置啟動(dòng):在陰極室1和陽(yáng)極室2中分別加入富集培養(yǎng)液和陰極電解液，然后在陽(yáng)極室(2)進(jìn)行接種，接種物取自造紙廠廢水處理站的厭氧污泥，以研缽磨碎并通過0.45mm篩網(wǎng)過濾獲得；陽(yáng)極室(2)以蔗糖(1g.L-1)作為底物，陰極室(1)以鐵氰化鉀(50mmol.L-1)和碳酸氫鈉(2g.L-1)混合液作為電解液； 并在(30±3) °C恒溫條件下啟動(dòng)裝置，在1000 Ω外阻下連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，定期監(jiān)測(cè)所述裝置的輸出電壓、陽(yáng)極電位，以及電路電流，當(dāng)輸出電流低于20mA時(shí)按體積比1:1更換培養(yǎng)液； 通過電阻控制電路板(12)逐步改變負(fù)載電阻至50Ω，當(dāng)陽(yáng)極未出現(xiàn)過電位時(shí)(即陽(yáng)極電勢(shì)比較平穩(wěn)并未驟增甚至為正值)，則測(cè)得相應(yīng)的輸出電壓并繪制陽(yáng)極極化曲線；若通過電阻控制電路板(12)逐步改變負(fù)載電阻至50 Ω，當(dāng)陽(yáng)極出現(xiàn)過電位時(shí)，則回調(diào)到.1000 Ω外阻下繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)月，然后調(diào)節(jié)負(fù)載電阻至50 Ω，當(dāng)陽(yáng)極不出現(xiàn)過電位后繪制陽(yáng)極極化曲線，若當(dāng)陽(yáng)極出現(xiàn)過電位時(shí)，進(jìn)行上述循環(huán)操作，直至陽(yáng)極不出現(xiàn)過電位后繪制陽(yáng)極極化曲線； .3)、多組電極馴化成功判斷:在電路電流大于2.0mA條件下，陽(yáng)極電位仍在_150mV至-250 mV時(shí)，據(jù)此判斷單組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極馴化成功，陽(yáng)極極化曲線用于判斷多組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極覆膜情況、成熟情況以及平行性； .4)、多組的生物電化學(xué)系統(tǒng)膜電極的應(yīng)用:選擇成熟相似的生物陽(yáng)極(5)安置于生物電化學(xué)體系(BESs)進(jìn)行應(yīng)用。
7.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用方法，其特征在于:所述的陽(yáng)極極化曲線繪制如下:多組陽(yáng)極極化曲線進(jìn)行批量繪制，通過電阻控制電路板(12)調(diào)節(jié)多組電極負(fù)載，依次為10 kQ,.5 kQ, 3 kQ, 500 Ω, 300 Ω , 100 Ω , 50 Ω , 10 Ω ,監(jiān)測(cè)不同負(fù)載電阻下的陽(yáng)極電勢(shì)，每次穩(wěn)定1.5 h^2 ho
【文檔編號(hào)】C25B1/02GK103943875SQ201410176290
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】朱亮, 高凱拓, 徐向陽(yáng), 靳捷, 戚嬌琴 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)