一種提高可降解苯酚的微生物燃料電池能量利用率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種提高燃料電池能量利用率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 苯酚是芳香化合物的一種，是染料、造紙、農(nóng)藥、醫(yī)藥等行業(yè)的生產(chǎn)原料和中間體。 隨著我國工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)苯酚需求量越來越大，同時(shí)含酚廢水的排放量也在不斷增加，對(duì) 環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，被我國列為"水中優(yōu)先控制污染物黑名單"。苯酚屬于原生質(zhì)物質(zhì)，對(duì) 于一切生物個(gè)體具有毒害作用，且具有"三致效應(yīng)"。未經(jīng)處理的苯酚廢水，不但會(huì)污染環(huán) 境，還會(huì)使蛋白質(zhì)凝結(jié)，從而危害人類健康。
[0003] 微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，MFC)是一種通過微生物體內(nèi)的新陳代謝 作用將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池裝置。產(chǎn)電微生物可作為催化劑附著在陽極 上形成生物膜，使有機(jī)物氧化降解，同時(shí)將釋放的電子傳遞到陽極表面，形成電流。
[0004] 目前，利用微生物燃料電池進(jìn)行苯酚降解的報(bào)道越來越多。MFC法降解苯酚主要是 利用MFC構(gòu)成厭氧環(huán)境，微生物在厭氧條件下將苯酚羧化為4-羥基苯甲酸，然后經(jīng)過輔酶 A的硫酸化作用而被激活，生成4-羥基苯甲酰輔酶A，進(jìn)一步脫羥基還原為苯甲酞輔酶A而 進(jìn)入苯甲酸途徑，生成乙酰輔酶A，最終轉(zhuǎn)化成乙酸。宋天順等以600mg/L苯酸為燃料構(gòu)建 MFC，56h后測得苯酚降解率可達(dá)88. 9 %。丁巍巍等利用MFC對(duì)苯酚降解，苯酚降解率可達(dá) 99. 63%。雖然獲得的苯酚降解率較高，均在90 %左右，但是目前MFC處理苯酚多是采用厭 氧污泥作為初始接種體。厭氧污泥具有豐富的微生物資源，產(chǎn)電微生物在其中占比不高，所 以大部分有機(jī)物并沒有用來產(chǎn)電，而是被呼吸作用消耗，導(dǎo)致燃料電池的庫倫效率偏低。庫 倫效率是反映微生物燃料電池所降解的有機(jī)物用來產(chǎn)電部分所占的比例。庫倫效率越大， 電子回收率越高，也就是電池的能量轉(zhuǎn)化率越高。駱海萍等利用葡萄糖（lOOOmg/L)和苯酚 (600mg/L)作為燃料，測得MFC的庫倫效率為2. 3 %。范平通過直接馴化方式構(gòu)建MFC，獲 得1.47%的庫倫效率。蔣勝韜等以葡萄糖（500mg/L)和苯酚（500mg/L)為燃料構(gòu)建MFC， 庫倫效率僅為0.48%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有可降解苯酚的微生物燃料電池庫倫效率偏低，導(dǎo)致能量利用 率低的問題，提供一種提高微生物燃料電池能量利用率的方法。
[0006] 本發(fā)明提高可降解苯酚的微生物燃料電池能量利用率的方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0007] -、菌種活化：從保存的斜面培養(yǎng)物挑取蠟樣芽孢桿菌WL027接種到LB固體培養(yǎng) 基中，在24~34°C條件下培養(yǎng)24~48h，得活化的蠟樣芽孢桿菌WL027培養(yǎng)物；
[0008] 二、種子液制備：將步驟一活化的蠟樣芽孢桿菌WL027培養(yǎng)物接種到LB液體培養(yǎng) 基中，在溫度為24~34°C，轉(zhuǎn)速為160r/min的搖床上培養(yǎng)24~48h，使菌液中蠟樣芽孢桿 菌WL027處于對(duì)數(shù)中期；
[0009] 三、將種子液與陽極緩沖液按照體積比1:2的比例放置于微生物燃料電池的陽極 室，同時(shí)加入葡萄糖和苯酸，使葡萄糖和苯酚的終濃度分別達(dá)200~1500mg/L和1000mg/L。
[0010] 針對(duì)陽極為碳?xì)蛛姌O的微生物燃料電池，在使用前對(duì)陽極電極碳?xì)钟肍eCl3進(jìn)行 改性，具體方法為：陽極碳?xì)窒扔帽?h后，真空抽濾，除去表面的油性物質(zhì)，再用去 離子水沖洗并浸泡煮沸，每隔〇. 5h換一次水，共煮沸3h;將電極材料放入120°C的烘箱烘 2h后，取出，置于干燥器內(nèi)待用；將處理后陽極碳?xì)钟?.lmol/L的？冗13溶液浸泡4h后，用 去離子水沖洗至黃色消失，將碳?xì)址湃?20°C的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器內(nèi)待用。
[0011] 針對(duì)陰極為碳刷電極的微生物燃料電池，在使用前對(duì)陰極電極處理，具體方法為： 將陰極電極碳刷先放入到lmol/L的HC1中浸泡24h后，放入到lmol/L的NaOH溶液中，浸 泡24h;然后將碳刷放入120°C的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器內(nèi)待用。
[0012] 本發(fā)明方法適用于任何的微生物燃料電池。
[0013] 本發(fā)明所述錯(cuò)樣芽孢桿菌（Bacilluscereus)WL027可高效降解苯酸，保藏在中國 典型培養(yǎng)物保藏中心（CCTCC)，保藏地址是武漢市武漢大學(xué)，保藏日期為2015年7月10日， 保藏編號(hào)為CCTCCNo:M2015439。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 1、本發(fā)明中首次用處于對(duì)數(shù)中期的蠟樣芽孢桿菌WL027接種到陽極室，構(gòu)建MFC。 該菌為好氧菌，具有同時(shí)降解苯酚和產(chǎn)電的性能，在MFC中的應(yīng)用目前尚未報(bào)道。
[0016] 2、現(xiàn)有微生物燃料電池大多采用含有混合菌株的活性污泥等接種陽極室，其能量 利用率較低，庫倫效率最高僅為2. 3%。本發(fā)明將好氧純菌株接種到陽極室，可明顯提高 微生物燃料電池的能量利用率，即提高庫倫效率。本發(fā)明構(gòu)建的MFC的庫倫效率經(jīng)計(jì)算為 64%左右，與現(xiàn)有技術(shù)相比提高了近28倍，相比報(bào)道過的可降解苯酚的MFC得到顯著的提 尚。
[0017] 3、本發(fā)明方法可顯著提高微生物燃料電池對(duì)苯酚降解的效率，在84h內(nèi)苯酚降解 率可達(dá)66%~69%。
[0018] 4、本發(fā)明方法簡單，易操作，成本低。
【附圖說明】
[0019] 圖1為實(shí)施例1中微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中微生物燃料 電池的運(yùn)行結(jié)果；圖3為實(shí)施例1微生物燃料電池的苯酚降解率曲線；圖4為沒有附著菌體 的碳?xì)蛛姌O掃描電鏡圖（X3000倍）；圖5為處于穩(wěn)定時(shí)期的WL027菌株在碳?xì)蛛姌O表面 附著掃描電鏡圖（X3000倍）；圖6為處于穩(wěn)定時(shí)期的WL027菌株在碳?xì)蛛姌O表面附著掃 描電鏡圖（X5000倍）；圖7為處于穩(wěn)定時(shí)期的WL027菌株在碳?xì)蛛姌O表面附著掃描電鏡 圖（X8000 倍）。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的 任意組合。
【具體實(shí)施方式】 [0021] 一：本實(shí)施方式提高可降解苯酚的微生物燃料電池能量利用率的方 法，按以下步驟進(jìn)行：
[0022] -、菌種活化：從保存的斜面培養(yǎng)物挑取蠟樣芽孢桿菌WL027接種到LB固體培養(yǎng) 基中，在24~34°C條件下培養(yǎng)24~48h，得活化的蠟樣芽孢桿菌WL027培養(yǎng)物；
[0023] 二、種子液制備：將步驟一活化的蠟樣芽孢桿菌WL027培養(yǎng)物接種到LB液體培養(yǎng) 基中，在溫度為24~34°C，轉(zhuǎn)速為160r/min的搖床上培養(yǎng)24~48h，使菌液中蠟樣芽孢桿 菌WL027處于對(duì)數(shù)中期；
[0024] 三、將種子液與陽極緩沖液按照體積比1:2的比例放置于微生物燃料電池的陽極 室，同時(shí)加入葡萄糖和苯酸，使葡萄糖和苯酚的終濃度分別達(dá)200~1500mg/L和1000mg/L。
【具體實(shí)施方式】 [0025] 二：本實(shí)施方式與一不同的是：步驟一所述蠟樣芽孢 桿菌（Bacilluscereus)WL027保藏在中國典型培養(yǎng)物保藏中心（CCTCC)，保藏地址是武漢 市武漢大學(xué)，保藏日期為2015年7月10日，保藏編號(hào)為CCTCCNo:M2015439。其它與具 體實(shí)施方式一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0026] 三：本實(shí)施方式與一或二不同的是：步驟一中在30°C 條件下培養(yǎng)48h。其它與一或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0027] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是：步驟二中在 溫度為30°C，轉(zhuǎn)速為160r/min的搖床上培養(yǎng)31h。其它與一至三之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0028] 五：本實(shí)施方式與一至四之一不同的是：步驟三中使 葡萄糖的終濃度達(dá)500~1000mg/L。其它與一至四之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 六：本實(shí)施方式與一至五之一不同的是：針對(duì)陽極為 碳?xì)蛛姌O的微生物燃料電池，在使用前對(duì)陽極電極碳?xì)钟?？? 3進(jìn)行改性，具體方法為：陽 極碳?xì)窒扔帽?h后，真空抽濾，除去表面的油性物質(zhì)，再用去離子水沖洗并浸泡煮 沸，每隔0. 5h換一次水，共煮沸3h;將電極材料放入120°C的烘箱烘2h后，取出，置于干燥 器內(nèi)待用；將處理后陽極碳?xì)钟茅?lmol/L的？冗13溶液浸泡4h后，用去離子水沖洗至黃色 消失，將碳?xì)址湃?20°C的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器內(nèi)待用。其它與一 至五之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0030] 七：本實(shí)施方式與一至六之一不同的是：針對(duì)陰極為 碳刷電極的微生物燃料電池，在使用前對(duì)陰極電極處理，具體方法為：將陰極電極碳刷先放 入到lmol/L的HC1中浸泡24h后，放入到lmol/L的NaOH溶液中，浸泡24h;然后將碳刷放 入120°C的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器內(nèi)待用。其它與一至六之一相同。
[0031] 為驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：
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