一种生物矿化纳米颗粒复合生物炭修饰电极及制备方法

技术领域

本发明专利涉及一种生物矿化纳米颗粒复合生物炭修饰电极及制备方法，属水处理技术领域，适用于粒子电极、电极板的表面修饰。

背景技术

电化学氧化是高级氧化技术的一种，在不外加氧化还原剂的情况下，通过电化学反应器中施加外加电压，使反应器溶液里的电子其发生定向移动，从而使水中污染物在反应器中发生一系列氧化、还原或者物理反应，最后达到去除污染物的效果。因为具有处理效果好、功能多样稳定性好、操作维护简便等特点，近年来受到研究者们广泛的关注。在电化学氧化过程中，阳极上发生直接氧化反应，或电极上产生大量具有强氧化性的羟基自由基对对目标污染物进行间接氧化，以此实现污染物的降解及去除。因此电极材料是提高电化学处理废水效能的关键因素。

通过对电极表面修饰可以增强的电催化过程，提高电化学过程的处理效率。生物矿化是受生物体调控的矿化过程，利用生物矿化合成纳米材料能够避免有毒有害的试剂投加及特殊反应条件，为低成本、绿色环保地生产纳米材料提供了新途径。当利用纳米材料对电极进行修饰时，电极除了具有材料本身的物化特性外，还拥有纳米材料的大比表面积、表面带有较多功能基团等特性，从而对电化学行为产生特有的催化效应且具有一定的导电性能，提高了电极的工作效率。同时，700 ℃以下的生物质的热化学转换能够获得生物炭。生物炭具有多孔表面结构及吸附体积、比活性炭更多的表面官能团数量和良好的阳离子交换能力。因此，生物炭有良好的吸附性能，可通过表面丰富的阴离子与金属阳离子发生络合作用达到去除金属离子的目的。此外，生物炭具有氧化还原特性，可以可逆的储存、释放电子，从而具有了传递电子的能力，是一种潜在的电子穿梭材料以及高效的电极材料。

由上分析可知，电极作为电化学反应器的主要组成部分，其性能的改进是电化学过程效率提升的关键。本发明通过微生物矿化合成纳米颗粒，并将微生物作为生物炭的富碳有机前驱体，将纳米材料、生物炭有机结合在一起作为粒子电极的表面修饰材料，可充分发挥纳米材料和生物炭的催化作用、吸附性能及导电作用等，丰富了电极的优良特性，有效提高电化学性能及电化学过程去除有机难降解污染物的效能。

发明内容

本发明的目的在于提高电极的性能，提出一种生物矿化纳米颗粒复合生物炭修饰电极及制备方法，可适用于粒子电极及电极板表面修饰。

此本发明提供一种生物矿化纳米颗粒复合生物炭修饰电极及制备方法，首先利用活性污泥、生物膜或纯菌菌株中的微生物在培养基中生物矿化合成纳米颗粒，然后将微生物与纳米颗粒的混合物离心后收集并处理，将处理后的混合物热解获得纳米颗粒和生物炭的混合物，最后将纳米颗粒和生物炭的混合物修饰于电极表面，并进行煅烧，以充分发挥纳米材料与生物炭的优势，获得电催化性能及吸附性能大大增强的新型电极。。

具体包括如下具体步骤：

1）取活性污泥或生物膜或纯菌菌株置于富集培养液中培养，并生物矿化合成纳米颗粒；

2）将步骤1）中获得的微生物与纳米颗粒以4000rpm/ min离心10分钟，并收集底部沉淀物；

3）将步骤2）获得的沉淀物用50mM PBS溶液洗涤三次，后将其冷冻干燥24小时；

4）将步骤3）中获得的混合物用管式炉在600°C下热解2小时，获得纳米颗粒与生物炭的复合材料；

5）将步骤4）获得的复合材料置于粘结剂溶液中超声30min，使其分散；

6）将粒子电极置于步骤5）所得含有复合材料的混合溶液中，恒温振荡3h，使纳米颗粒与生物炭均匀修饰于粒子电极表面，获得表面修饰的粒子电极；

7）将步骤5）中所得含有复合材料的混合溶液均匀涂抹于电极板表面，然后置于室温干燥24h，获得表面修饰的电极板；

8）将步骤6）、步骤7）中获得的电极用管式炉中热解、煅烧2小时，获得纳米颗粒与生物炭复合材料修饰的新型电极。

所述步骤1）中活性污泥活性污泥、生物膜或纯菌菌株与培养液体积比为1:30~1:5。

所述步骤1）中培养液组成成分为NH

所述步骤1）培养液中纳米颗粒前驱物为1~10mM Na

所述步骤3）中PBS缓冲液每升由11.40 g Na

所述步骤4）中热解过程伴有升温速率为3°C/min的N

所述步骤5）中粘结剂为全氟磺酸基聚合物（Nafion）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚-二甲基硅氧烷（PDMS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、丙烯酸酯任意一种或组合，用于粘结及分散复合材料。

所述步骤6）及步骤7）中恒温振荡温度范围为25~30摄氏度。

此所述步骤8）中热解、煅烧过程温度为500~600℃，并伴有升温速率为3℃/min的N

本发明的优点在于：

1）绿色环保，成本较低。微生物作为富碳有机前驱体并利用生物矿化合成纳米材料能够避免有毒有害的试剂投加及特殊反应条件；

2）改进电催化性能及吸附性能，提高电流利用效率，降低运营成本。纳米材料与生物炭的加入丰富了电极表面官能团，有效提高了三维电催化曝气生物滤池系统电化学性能及去除有机难降解污染物的效能。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。

制作一套经生物矿化纳米颗粒钯复合生物炭修饰的电极及粒子电极。

具体包括如下具体步骤：

1）取活性污泥置于富集培养液中培养，并生物矿化合成钯纳米颗粒。培养液组成成分为NH

2）将步骤1）中获得的微生物与纳米颗粒以4000rpm/ min离心10分钟，并收集底部沉淀物；

3）将步骤2）获得的沉淀物用50mM PBS溶液洗涤三次，后将其冷冻干燥24小时。PBS缓冲液每升由11.40 g Na

4）将步骤3）中获得的混合物用管式炉在600°C下热解2小时，获得纳米颗粒钯与生物炭的复合材料；

5）将步骤4）获得的复合材料置于5%Nation乙醇溶液中超声30min，使其分散；

6）将粒子电极置于步骤5）所得含有复合材料的混合溶液中，恒温振荡3h，使纳米钯载生物炭均匀修饰于粒子电极表面，获得新型纳米钯载生物炭修饰粒子电极；

7）将步骤5）中所得含有复合材料的混合液均匀涂抹于电极板表面，然后置于室温干燥24h，获得表面修饰的纳米钯载生物炭修饰新型电极板。

经研究发现，纳米钯载生物炭修饰新型粒子电极/电极板最大电压提高了20%，最大功率密度提高了50%，加强了电子传递效率及生物膜的附着或与生长，有效促进了三维电催化曝气生物滤池的工作效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细的说明，但是不

表示本发明的具体实施是局限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，

在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或是替换，都应视为属于本发明

的保护范围。