一种催化-微生物耦合材料及其制备方法、电催化-微生物耦合装置及应用与流程

本发明涉及电催化材料，具体涉及一种催化-微生物耦合材料及其制备方法、电催化-微生物耦合装置及应用。

背景技术：

1、随着经济和社会的快速发展，人们生活水平日益提高的同时，污染物量不断增加。地表水的污染问题也引起了社会各界的广泛关注。对地表水体特别是河道水体进行综合整治，以改善河道水质具有重要意义。

2、污染物包括外源污染和内源污染，内源污染包括水体污染和底泥污染，底泥污染会导致很多恶性问题发生，如生态系统功能及生物多样性退化、藻类过度繁殖、水体恶臭、水生动植物死亡等。水体治理中如要长期达到地表水环境质量标准，不仅要对水体进行治理还要对底泥进行治理。底泥的治理通常分为原位修复和异位修复。底泥异位修复若处置不当，容易造成二次污染，且处理费用高，并会对原有生态环境造成一定损害。与异位修复相比，原位修复操作方便、成本较低，且二次污染较小，但目前传统技术很难有长效治理底泥且可以进行调控的方法。因此，寻找一种可以水体及底泥共同治理且便于实施应用的技术具有重要的实际意义。

3、目前，将电催化技术用于高污染高负荷水体的研究较多，钟义方等采用电极催化体系降解酸性大红(gr)染料废水(钟义方,李佳文,等.ti/pbo2电极与ti/iro2+ta2o5电极催化体系降解酸性大红染料废水的比较研究[j].应用化工,2024,43(1).)；张国辉等用电催化氧化法处理渣场渗滤液废水(张国辉,黄建良,等.电催化氧化法处理渣场渗滤废水的研究[j].应用化工,2024.)。但上述方法采用的电压较大，导致能耗较大；而且上述方法大都用于污水处理厂，不利于推广使用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种催化-微生物耦合材料及其制备方法、电催化-微生物耦合装置及应用，采用本发明提供的催化-微生物耦合材料制备电催化-微生物耦合装置用于污染水体和/或污染底泥的治理时，所用电压电流低，能耗较少，且治理效果好，适于大规模量产及应用。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种催化-微生物耦合材料，包括亲水改性基材以及负载在所述亲水改性基材上的微生物与催化材料，所述微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物，或者所述微生物为好氧微生物；所述催化材料为掺杂金属氧化物的石墨相氮化碳。

4、优选地，所述亲水改性基材为活性炭毡经酸试剂改性得到；所述活性炭毡的厚度为1～3cm；所述改性的温度为25～28℃，时间为20～28h。

5、优选地，所述金属氧化物包括zno、nio或fe2o3，所述催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.3wt％；所述催化-微生物耦合材料中催化材料的负载量为2～5g/m2。

6、优选地，所述催化-微生物耦合材料上微生物的负载量为20～25g/m2；所述产电微生物与厌氧微生物混合物中产电微生物与厌氧微生物的质量比为1.5～2.5：1。

7、优选地，所述催化-微生物耦合材料包括第一耦合材料或第二耦合材料；所述第一耦合材料上催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.18wt％，微生物为好氧微生物；所述第二耦合材料上催化材料中金属元素的掺杂量为0.22～0.3wt％，微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物。

8、本发明提供了上述技术方案所述催化-微生物耦合材料的制备方法，包括以下步骤：

9、将微生物与亲水改性基材混合进行培养，得到负载微生物的亲水改性基材；

10、在所述负载微生物的亲水改性基材的表面涂覆催化材料分散液，干燥后得到所述催化-微生物耦合材料。

11、本发明提供了上述技术方案所述催化-微生物耦合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的催化-微生物耦合材料在制备电催化-微生物阳极中的应用。

12、本发明提供了一种电催化-微生物耦合装置，包括供电设备与自上而下依次间隔设置的第一阴极、第一阳极、第二阴极与第二阳极，所述第一阴极与第二阴极通过导线连接于所述供电设备的负极，所述第一阳极与第二阳极通过导线连接于所述供电设备的正极；

13、所述第一阳极与第二阳极独立为上述技术方案所述催化-微生物耦合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的催化-微生物耦合材料，且所述第一阳极上负载的微生物为好氧微生物，所述第二阳极上负载的微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物。

14、优选地，所述第一阴极与第二阴极为石墨板；所述第一阳极上催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.18wt％；所述第二阳极上催化材料中金属元素的掺杂量为0.22～0.3wt％。

15、本发明提供了上述技术方案所述催化-微生物耦合材料、上述技术方案所述制备方法制备得到的催化-微生物耦合材料或上述技术方案所述电催化-微生物耦合装置在污染水体和/或污染底泥治理中的应用。

16、本发明提供了一种催化-微生物耦合材料，包括亲水改性基材以及负载在所述亲水改性基材上的微生物与催化材料，所述微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物，或者所述微生物为好氧微生物；所述催化材料为掺杂金属氧化物的石墨相氮化碳。采用本发明提供的催化-微生物耦合材料制备电催化-微生物耦合装置用于污染水体和/或污染底泥的治理时，所用电压电流低，设备使用电压为0.6～1v，设备使用电流为5～10μa，能耗较少，且电流微弱，对微生物生长有一定促进作用，对水体中动物没有不良影响，能够保证一定安全性。同时，本发明中电催化-微生物耦合装置结构设计合理，便于同时对水体和底泥进行原位净化，如可以直接放置在河道、湖泊等地区直接原位处理，减少污水及底泥中的污染物，净化水质，且所用电压及产生的电流对水生动植物未有影响。此外，本发明中电催化-微生物耦合装置生物相容性好，稳定性高，具有可见光响应，成本低，适于大规模量产及应用。

技术特征：

1.一种催化-微生物耦合材料，其特征在于，包括亲水改性基材以及负载在所述亲水改性基材上的微生物与催化材料，所述微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物，或者所述微生物为好氧微生物；所述催化材料为掺杂金属氧化物的石墨相氮化碳。

2.根据权利要求1所述的催化-微生物耦合材料，其特征在于，所述亲水改性基材为活性炭毡经酸试剂改性得到；所述活性炭毡的厚度为1～3cm；所述改性的温度为25～28℃，时间为20～28h。

3.根据权利要求1或2所述的催化-微生物耦合材料，其特征在于，所述金属氧化物包括zno、nio或fe2o3，所述催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.3wt％；所述催化-微生物耦合材料中催化材料的负载量为2～5g/m2。

4.根据权利要求3所述的催化-微生物耦合材料，其特征在于，所述催化-微生物耦合材料上微生物的负载量为20～25g/m2；所述产电微生物与厌氧微生物混合物中产电微生物与厌氧微生物的质量比为1.5～2.5：1。

5.根据权利要求4所述的催化-微生物耦合材料，其特征在于，所述催化-微生物耦合材料包括第一耦合材料或第二耦合材料；所述第一耦合材料上催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.18wt％，微生物为好氧微生物；所述第二耦合材料上催化材料中金属元素的掺杂量为0.22～0.3wt％，微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物。

6.权利要求1～5任一项所述催化-微生物耦合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.权利要求1～5任一项所述催化-微生物耦合材料或权利要求6所述制备方法制备得到的催化-微生物耦合材料在制备电催化-微生物阳极中的应用。

8.一种电催化-微生物耦合装置，其特征在于，包括供电设备与自上而下依次间隔设置的第一阴极、第一阳极、第二阴极与第二阳极，所述第一阴极与第二阴极通过导线连接于所述供电设备的负极，所述第一阳极与第二阳极通过导线连接于所述供电设备的正极；

9.根据权利要求8所述的电催化-微生物耦合装置，其特征在于，所述第一阴极与第二阴极为石墨板；所述第一阳极上催化材料中金属元素的掺杂量为0.1～0.18wt％；所述第二阳极上催化材料中金属元素的掺杂量为0.22～0.3wt％。

10.权利要求1～5任一项所述催化-微生物耦合材料、权利要求6所述制备方法制备得到的催化-微生物耦合材料或权利要求8或9所述电催化-微生物耦合装置在污染水体和/或污染底泥治理中的应用。

技术总结本发明提供了一种催化‑微生物耦合材料及其制备方法、电催化‑微生物耦合装置及应用，属于电催化材料技术领域。本发明提供的催化‑微生物耦合材料，包括亲水改性基材以及负载在所述亲水改性基材上的微生物与催化材料，所述微生物为产电微生物与厌氧微生物混合物，或者所述微生物为好氧微生物；所述催化材料为掺杂金属氧化物的石墨相氮化碳。采用本发明提供的催化‑微生物耦合材料制备电催化‑微生物耦合装置用于污染水体和/或污染底泥的治理时，所用电压电流低，能耗较少，且治理效果好，适于大规模量产及应用。技术研发人员：许雯佳,朱浩,孟可,许亮,仇健受保护的技术使用者：江苏双良环境科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9