一种降解废水的微生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及微生物燃料电池，公开了一种降解葡萄糖废水产生电能的微生物燃料电池，其包括阳极室和阴极室，所述阳极室装有废水和培养液作为阳极液，所述废水含有木糖和/或葡糖糖，所述培养液含有核黄素，所述阳极室接种奥奈达希瓦氏菌MR?1。本发明的微生物燃料电池接种奥奈达希瓦氏菌MR?1，能够利用微生物燃料电池中的葡萄糖生长并产电，在阳极液中外加核黄素，以核黄素为电子中介体，大幅度提高电压和功率密度、降低内阻，并能更高效去除溶液中的葡萄糖，使微生物燃料电池的产电量更高，性能更优，微生物燃料电池的最大功率达到319.9mW/m2，是不加核黄素的10倍。
【专利说明】
一种降解废水的微生物燃料电池
技术领域
[0001]本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种降解葡萄糖废水产生电能的微生物燃料电池。
【背景技术】
[0002]随着人类的进步与发展，对能源的需求越加强烈，为了解决能源问题，人类在积极的寻求新型能源方式。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是利用微生物催化降解有机物产生电能的新型装置，可同时实现废物处理和能源利用，其基本原理是:在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。理论上可生物降解的物质都可作为微生物燃料电池的燃料，因此选择合适的微生物，微生物燃料电池就可利用生物质产电，特别是人类生活以及工业生产所产生的废水、废物等有机质。微生物燃料电池具有反应条件温和，不需要进行废气处理等优点。
[0003]葡萄糖是自然界中分布最广且具有重要生物功能的有机化合物，广泛应用于食品、医药、化工和微生物发酵等行业，并随着废水的排放进入环境中，许多的工业废水的COD主要是由葡萄糖引起的，成为重要的环境有机污染源。因此，这些有机废水的可再生利用成为环境治理的一个重要挑战。
[0004]已有研究表明，某些微生物可在MFC中可以利用葡萄糖产生电能，但是这些MFC产电性能较差，产电量较低，影响其应用前景，因此需要开发一种更高效的微生物燃料电池。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种产电量较高、性能优异的微生物燃料电池。
[0006]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种降解废水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室装有废水和培养液作为阳极液，所述废水含有木糖和/或葡糖糖，所述培养液含有核黄素，所述阳极室接种奥奈达希瓦氏菌MR-1。
[0007]进一步地，所述核黄素的浓度是0.1?0.3mmol/L，该浓度是核黄素在培养液中的浓度。
[0008]进一步地，所述培养液包括M9盐溶液、Wolfe ’ s微量矿物元素溶液、Wolfe ’ s维生素溶液。
[0009]进一步地，所述M9盐溶液、Wolfe ’ s微量矿物元素溶液、Wolfe ’ s维生素溶液的体积比为 10~20:1:1。
[0010]进一步地，所述木糖和/或葡糖糖在阳极液中的总浓度是I?20g/L。
[0011]进一步地，所述阴极室装有阴极液，所述阴极液为铁氰化钾磷酸盐缓冲溶液。
[0012]进一步地，所述微生物燃料电池还包括阳极电极、阴极电极、质子交换膜和外接电路。
[0013]进一步地，所述阳极电极为1\2?112的碳布，所述阴极电极为2\3(^2的碳布。
[0014]M9盐溶液的配方为:0.5g/L NaCl、3g/L KH2PO4、17.8g/L Na2HPO4.12H20、1 g/LNH4Cl 0
[0015]Wolfe’s微量矿物元素溶液的配方为:1.5g/L次氨基三乙酸、3.0g/L MgSO4.7H20、0.5g/L MnSO4.H2O^l.0g/L NaCK0.lg/L FeSO4.7H20、0.lg/L C0CI2.6H20、0.lg/LZnS04.7H20、0.lg/L CaCl2、0.0lg/L C11SO4.5H20、0.0lg/L AlK(SO4)2.12H20^0.0lg/LΗ3Β〇2、0.0lg/L Na2Mn04.2H2O。
[0016]Wolfe’s维生素溶液的配方为:维生素H 2.0 mg/L、维生素B 2.0 mg/L、维生素B610 mg/L、维生素BI 10 mg/L、维生素B2 5.0 mg/L、烟酸5.0 mg/L、维生素B3 5.0 mg/L、维生素B12 0.1 mg/L、对氨基苯甲酸5.0 mg/L、硫辛酸5.0 mg/L。
[0017]阳极液中用M9盐溶液将木糖和/或葡糖糖、核黄素稀释至所需浓度；阳极液的00600约2.5。
[0018]铁氰化钾磷酸盐缓冲溶液的配方为:16.47g/L铁氰化钾、3.73g/L KCl、17.8g/LNa2HPO4.12H20、3g/L KH2PO4o
[0019]本发明有以下有益效果:
本发明的微生物燃料电池接种奥奈达希瓦氏菌MR-1，能够利用微生物燃料电池中的葡萄糖生长并产电，在阳极液中外加核黄素，以核黄素为电子中介体，大幅度提高电压和功率密度、降低内阻，并能更高效去除溶液中的葡萄糖，使微生物燃料电池的产电量更高，性能更优，微生物燃料电池的最大功率达到319.9mW/m2，是不加核黄素的10倍。
[0020]微生物燃料电池将阳极溶液的葡萄糖降解为乙酸、甚至是二氧化碳，并同时输出电能，达到废水处理和资源再利用效果。本发明的MFC产电量较高，对于各种葡萄糖废水的处理具有很好的应用前景。
【附图说明】
[0021]图1是实施例1的微生物燃料电池的结构示意图；
图2是实施例1微生物燃料电池的时间-电压曲线图；
图3是实施例1实验组微生物燃料电池的功率密度图和极化曲线图；
图4是实施例1对照组微生物燃料电池的功率密度图和极化曲线图；
图5是实施例1微生物燃料电池的葡萄糖消耗率图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明:
以下实施例所用奥奈达希瓦氏菌MR-1购自ATCC美国模式菌种保藏中心，菌种编号ATCC700550。
[0023]实施例1 实验组:
如图1所示，本实施例的微生物燃料电池包括阳极室4、阴极室6、阳极电极3、阴极电极
5、质子交换膜7和外接电路2。
[0024]阳极室4和阴极室6均为聚丙烯有机玻璃，以Naf1n 117质子交换膜7隔开。
[0025]MFC电极预处理，首先将碳布放入丙酮溶液中浸泡8h，以去掉碳纤维表面的胶质，然后放入2mol/L的HCl溶液中浸泡12h，去除碳布表面残留的生物质和金属离子等，用超纯水清洗碳布，直到溶液PH为7，最后将清洗干净的碳布放入烘箱干燥，冷却后备用。
[0026]分别将阳极电极3和阴极电极5置入阳极室4和阴极室6中，阳极电极3为I X 2cm2的经过预处理碳布，所述阴极电极5为2X3cm2的经过预处理碳布，通过外接电路2连接阳极电极3和阴极电极5，在外接电路2中接入2K Ω的外电阻I反应产电情况，接入数据采集卡8以收集产电数据。
[0027]在阳极室4加入含葡萄糖的废水，用M9盐溶液将葡萄糖的浓度稀释至5g/L，葡萄糖作为碳源和电子供体。
[0028]在阳极室4加入培养液，培养液的组成为:补加M9盐溶液至3OmL、30yL 100XWolfe’s微量矿物元素溶液、30yL 10Xffolfe’s维生素溶液。
[0029]M9盐溶液的配方为:0.5g/L NaCl、3g/L KH2PO4、17.8g/L Na2HPO4.12H20、lg/L冊4(:1。101€6’8微量矿物元素溶液的配方为:1.58/1次氨基三乙酸、3.(^/1 MgSO4.7H20、0.5g/L MnSO4.H2O^l.0g/L NaCK0.lg/L FeSO4.7H20、0.lg/L C0CI2.6H20、0.lg/LZnS04.7H20、0.lg/L CaCl2、0.0lg/L C11SO4.5H20、0.0lg/L AlK(SO4)2.12H20^0.0lg/LH3B02、0.0lg/L Na2MnO4.SH2O13Wolfe's维生素溶液的配方为:维生素H 2.0 mg/L、维生素B2.0 mg/L、维生素B6 10 mg/L、维生素BI 10 mg/L、维生素B2 5.0 mg/L、烟酸5.0 mg/L、维生素B3 5.0 mg/L、维生素B12 0.1 mg/L、对氨基苯甲酸5.0 mg/L、硫辛酸5.0 mg/L。
[0030]在培养液中加入核黄素，核黄素在培养液中的浓度是0.18mmol/L。
[0031]在阳极室4接种奥奈达希瓦氏菌MR-1作为电化学活性微生物，奥奈达希瓦氏菌MR-1是以LB液体培养基活化培养，采用5000r/min离心去上清获得。
[0032]阴极室6添加30mL含50mmol/L的铁氰化钾磷酸盐缓冲溶液，铁氰化钾磷酸盐缓冲溶液的配方为:16.47g/L铁氰化钾、3.73g/L KCl、17.8g/L Na2HPO4.12H20、3g/L KH2PO4o
[0033]对照组:微生物燃料电池的陪养液不加入核黄素，其他条件与实验组相同。
[0034]空白组:微生物燃料电池不接种奥奈达希瓦氏菌MR-1，其他条件与对照组相同。
[0035]启动并运行微生物燃料电池，阳极室在启动和运行过程中需保持无氧环境，阴极室则暴露于空气中，通过数据采集卡实时监测MFC两端的工作电压，绘制时间-电压曲线图，结果如图2所示，空白组(曲线3)几乎没有电压，实验组(曲线I)的电压峰值高于对照组(曲线2)的电压峰值，实验组产生的最大电压为578mV，对照组产生的最大电压为121mV，这表明加入核黄素能够大幅提高电压、改善产电性能。
[0036]采用单循环法测MFC的极化曲线和功率曲线。在测量极化数据之前，MFC处于开路状态数小时直至电压趋于稳定，利用外接变阻箱调节电路外电阻值，使电阻逐渐定量递减(由20ΚΩ、10ΚΩ、9ΚΩ递减至330 Ω )，每一电阻停留时间是20?30分钟，得到不同外电阻下的电压值，并根据公式P=V2/Rt和PAn=V2/A.R计算出每一电阻下的电流密度和功率密度(以单位阳极的投影面积A的电流或功率表示电池的电流密度和功率密度)，绘制出功率曲线和极化曲线;其中:P是输出功率，PAn是输出功率密度，乂是电压，R是外电阻。
[0037]图3是实验组的功率密度图和极化曲线图，曲线4表示电压，曲线5表示功率密度，葡萄糖MFC功率密度随着电流密度的增大呈现先上升后下降的趋势，当电流密度是735.9mA/m2，功率密度达到最大，最大功率密度是319.9mW/m2，此时对应的外电阻是3K Ω，根据功率曲线法可知MFC的总内阻为3K Ω，通过极化曲线斜率法(R=V/I，其中I是电流)计算的得到电荷转移内阻726 Ω。
[0038]图4是对照组的功率密度图和极化曲线图，曲线6表示电压，曲线7表示功率密度，葡萄糖MFC功率密度随着电流密度的增大呈现先上升后下降的趋势，当电流密度是125mA/m2，功率密度达到最大，最大功率密度是32.0mW/m2，对应的外电阻是1K Ω，根据功率曲线法可知MFC的总内阻约为1K Ω，通过极化曲线斜率法，取电流密度75?125mA/m2的极化曲线，计算的电荷转移内阻为5316 Ω。
[0039]上述结果表明，加入核黄素能够大幅度降低内阻、提高功率密度，使微生物燃料电池的产电量更高，性能更优。
[0040]选取第一产电周期测定葡萄糖的消耗率，每隔数小时从MFC阳极室中取500yL培养液，使用高效液相色谱仪测定其中葡萄糖浓度的变化情况以反映葡萄糖降解情况。高效液相色谱仪使用岛津LC-20AD，色谱柱采用Aminex HPX-87H糖柱(300 X 7.8mm)，流动相为超纯水配置的4mM的硫酸溶液，检测器采用示差检测器RID 1A，流速0.4mL/min，柱温50 V，分析时间I小时。阳极培养液样品进样器需要进行预处理:采用I万转离心5min，取上清液并用
0.45μηι的过滤膜过滤除菌。
[0041]结果如图5所示，在运行18h后，空白组(曲线8)的葡萄糖基本不消耗，对照组(曲线9 )中阳极液中葡萄糖浓度降低48.3%;而实验组(曲线10 )的葡萄糖浓度随着运行时间增加而减少，阳极液中的葡萄糖消耗了 99.8%。这表明加入核黄素的微生物燃料电池可以更高效去除溶液中的葡萄糖。
[0042]实施例2
本实施例的微生物燃料电池，阳极室中培养液的组成为:30mL M9盐溶液、15yL 10XWolfe ’ s微量矿物元素溶液、15yL 10Xffolfe ’ s维生素溶液;培养液中核黄素的浓度是
0.lmmol/L;阳极液中葡萄糖的浓度为lg/L。
[0043]微生物染料电池的结构、菌种、阴极液等与实施例1的实验组相同。
[0044]实施例3
本实施例的微生物燃料电池，阳极室中培养液的组成为:30mL M9盐溶液、20yL 100XWolfe's微量矿物元素溶液、20yL 100 XWoIfe ’ s维生素溶液；培养液中核黄素的浓度是
0.3mmo I /L;阳极液中葡萄糖的浓度为I Og/L。
[0045]微生物染料电池的结构、菌种、阴极液等与实施例1的实验组相同。
[0046]实施例4
本实施例的微生物燃料电池，阳极室中培养液的组成为:30mL M9盐溶液、25yL 100XWolfe's微量矿物元素溶液、25yL 100 XWoIfe ’ s维生素溶液；培养液中核黄素的浓度是
0.25mmo 1/L;阳极液中木糖和葡萄糖的总浓度为20g/L。
[0047]微生物染料电池的结构、菌种、阴极液等与实施例1的实验组相同。
[0048]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种降解废水的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，其特征在于，所述阳极室装有废水和培养液作为阳极液，所述废水含有木糖和/或葡糖糖，所述培养液含有核黄素，所述阳极室接种奥奈达希瓦氏菌MR-1。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述核黄素的浓度是0.1?0.3mmol/L。3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述培养液包括M9盐溶液、Wolfe ’ s微量矿物元素溶液、Wolfe ’ s维生素溶液。4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述M9盐溶液、Wolfe ’ s微量矿物元素溶液、Wolfe ’ s维生素溶液的体积比为10?20:1:1。5.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述木糖和/或葡糖糖在阳极液中的总浓度是I?20g/L。6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极室装有阴极液，所述阴极液为铁氰化钾磷酸盐缓冲溶液。7.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述微生物燃料电池还包括阳极电极、阴极电极、质子交换膜和外接电路。8.根据权利要求7所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极电极为IX 2cm2的碳布，所述阴极电极为2 X 3cm2的碳布。
【文档编号】H01M8/16GK105845959SQ201610299193
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】邱自兵, 李凌伟, 何姝, 熊颖, 王红, 王一红
【申请人】深圳市宇驰检测技术有限公司