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基于微细加工技术的微电极的制备及其在废水生物处理中的应用

陈猷鹏  
【摘要】: 微电极是对环境生物样品进行微区分析的有力工具,在反应机理探索中发挥着重要应用,其中金属和金属-金属氧化物固态微电极应用最为广泛。基于玻璃毛细管拉制的微电极传统制作方法存在着很多缺陷,如:制作步骤繁琐、成品率低、重复性差、对制作人员的技术要求高等,妨碍了它在环境领域中的应用。而微细加工技术精度高、可靠性强、重复性好,非常适合用于微电极及其阵列的制作。本论文研究基于紫外曝光、离子束溅射镀膜和离子束刻蚀等微细加工技术,成功制作了一种新型的针状集成微电极,建立了一种简洁、灵活、高效、可靠的微电极制作新方法。该新型微电极的针尖为75μm宽、100μm厚和5 mm,该针尖上集成了参比电极、对电极和工作电极。电化学表征和抗干扰能力测试结果表明,该集成微电极具有很好的稳定性和电化学活性,能够用于电化学分析测量以及化学修饰以拓展其功能。由于采用负性光刻胶SU-8作为电极支撑材料,电极的外形可以通过修改光刻掩模而重新设计,使得新制作技术具有较大的自由度和广泛的适用性。 化学修饰电极是拓展电极功能最有效的方法。本论文通过在工作微电极尖端修饰一层Pt-Fe纳米颗粒,使之能够定量分析溶液中的亚硝酸盐浓度:在工作电极尖端修饰一层特殊的三维银纳米结构,可以使之同时定量分析溶液中的溶解氧和硝酸盐浓度。通过循环伏安法表征了修饰电极的电化学活性,修饰后的微电极分别对溶解氧、亚硝酸盐和硝酸盐具有很好的线性响应,能够用于实际样品的测量。利用电子扫描显微镜(SEM)观察了修饰电极表面的微观结构,探讨了电极表面结构和组成与其电化学性质之间的关系。修饰电极具有很好的电化学稳定性,能作为溶解氧、亚硝酸盐和硝酸盐传感器。同时该化学修饰微电极具有很强的抗干扰能力。 好氧微生物颗粒是近年来废水处理研究领域的热点之一,它有望取代传统的活性污泥絮体,成为新一代的废水生物处理技术的核心。因此,对它的内部结构和反应机制的研究具有重要的意义。本论文利用制备的化学修饰微电极测定了好氧硝化颗粒内部的溶解氧、亚硝酸盐和硝酸盐浓度的微区分布。观察到溶解氧值在颗粒表面迅速降低,在颗粒内部存在微量的溶解氧;亚硝酸盐和硝酸盐浓度则在颗粒表面较高,内部较低。这表明氨氧化细菌和硝化细菌主要集中在颗粒表层的300微米范围内,且在所测定的颗粒内部不存在反硝化反应。 地下饮用水中存在的硝酸盐对人体具有极大危害,高效、无二次污染地去除地下水中的硝酸盐是环境领域重要的研究方向。本论文利用全息曝光技术与微细加工技术相结合,制备了一种400 nm宽的金丝电极阵列,通过电化学沉积的方法在其表面制备了一层具有较大表面积的特殊三维银纳米结构。通过SEM和同步辐射硬X-ray三维成像表征了此三维银纳米结构。该银纳米结构能够在无外加试剂的条件下电化学还原水体中的硝酸盐。本研究为地下饮用水中硝酸盐的去除提供了一个新的技术路线。 微生物燃料电池(MFC)在处理废水的同时能够利用微生物进行发电,是一种具有良好前景的环境污染控制与清洁能源生产的新技术。微型MFC由于其体积小、产电量高而极具实用价值,有望在军事、国土安全及医学领域发挥重要的作用。本论文采用微细加工技术,成功制作了一种新型的微型MFC金丝电极阵列,并组装了一种微型MFC反应器。利用该微型MFC研究了希瓦氏菌Shewanellaoneidensis MR-1在该MFC中的产电能力,其最大功率密度可达2499 mW/m~2。它相对于以碳电极作为基底的微型MFC,具有较大的产电能力,展现出极为广阔的应用前景。


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