[發(fā)明專利]一種微生物燃料電池毒性傳感器及運行方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611045546.4
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN107045012B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 海熱提·吐爾遜;高艷梅;王曉慧;李媛;劉睿;謝濤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學;中科宇圖（北京）資源環(huán)境科學研究有限公司
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;G01N33/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種微生物燃料電池毒性傳感器及運行方法，屬于新能源與環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域。反應(yīng)裝置為雙室MFC，中間由陽離子交換膜隔開；陰極室為營養(yǎng)液并曝氣，同時陰極室經(jīng)由蠕動泵與營養(yǎng)液槽連通并構(gòu)成循環(huán)管路；陽極室為重金屬廢水，陽極室經(jīng)由蠕動泵與重金屬廢水槽連通并構(gòu)成循環(huán)管路；陽極室的陽極材料采用碳刷，陰極室的陰極材料采用碳氈；陰極和陽極通過外加電阻連接在一起，外加電阻的兩端連接電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在最優(yōu)條件下電壓達到穩(wěn)定后即可進行毒性檢測。陰極室循環(huán)自配營養(yǎng)液并曝氣，陽極室循環(huán)含重金屬的廢水。該系統(tǒng)從毒性物質(zhì)最低濃度進行檢測，在電壓穩(wěn)定時運行12h后的去除率均能達到90％以上。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源與環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型微生物燃料電池毒性傳感器，通過該方法可直接在線監(jiān)測水中的毒性物質(zhì)并根據(jù)抑制率的百分比來設(shè)計預(yù)警裝置。

背景技術(shù)

水體中的重金屬主要來源于自然環(huán)境與人為活動，重金屬進入到環(huán)境中不斷進行著遷移轉(zhuǎn)換，造成嚴重的二次污染?？股?antibiotics)是指具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干預(yù)其他生活細胞發(fā)育功能的一類化學物質(zhì)，它可由微生物培養(yǎng)液和高等動植物的代謝物中提取或化學合成與半合成的化合物。抗生素的濫用廣泛使得生活廢水以及醫(yī)療、畜牧業(yè)廢水中的抗生素嚴重超標，且污水處理廠對抗生素的處理還未達標，出水水質(zhì)中對抗生素沒有嚴格的控制。

水環(huán)境中少量的重金屬一般無色無味，很難被察覺，且重金屬通過長期積累在生物體內(nèi)，不易被降解，威脅人類的生命健康。我國屬重金屬污染很嚴重的國家，已超標的重金屬主要有Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Hg、As等，主要來自工業(yè)污染如：電鍍、電池制造、制革、化肥工業(yè)。對人體的危害主要通過呼吸道吸入、口部攝取吞咽、和皮膚吸收進入人體、而Cr、Cd等非必須元素與Cu、Zn等必需元素競爭取代微生物細胞壁上的結(jié)合位點，與配基反應(yīng)，產(chǎn)生毒害作用。盡管重金屬的毒性早被大家熟知，但在全球工業(yè)化的大趨勢下水體重金屬污染仍然呈現(xiàn)出越來越嚴重的趨勢。

當前用于檢測水體中重金屬的方法較多，主要有原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、溶出伏安法、電感耦合等離子體法、生物酶抑制法，核酸適配體法、免疫分析法等。大多數(shù)方法由于其費用高、檢測耗時、樣品需要經(jīng)過預(yù)處理來減少信號的干擾等的限制而不能進行大型實驗設(shè)備的應(yīng)用。而近年來的檢測方法的改進也改善了其檢測條件，耗時短，處理樣品簡單，但檢測的重復(fù)性仍需要進一步提高。微生物燃料電池是一項非常具有發(fā)展前景的技術(shù)，它提供了一種產(chǎn)電與檢測同時進行的高效有機結(jié)合方法，主要原理方法是將含重金屬的廢水置于微生物燃料電池陽極室，在一定條件下，MFC產(chǎn)電量或電流與陽極室添加的可代謝底物的濃度或微生物數(shù)量成正比，同時，當重金屬進入陽極室時，會導(dǎo)致MFC產(chǎn)電下降，而電流的下降與有毒物質(zhì)存在一定的相關(guān)性，根據(jù)這一相關(guān)性可估算重金屬的濃度。實驗反應(yīng)器陽極采用相對厭氧環(huán)境，陰極采用曝氣處理，利用氧氣作為電子受體，氧氣廉價且資源豐富，以其作為電子受體的MFC產(chǎn)生的電流密度和輸出功率均十分有限。這是由于氧氣在水中溶解度有限，在電極上的氧化還原速率較慢等對MFC性能起到了一定限制作用。

近些年的研究顯示，重金屬如Cu、Zn等均能用單室MFC進行快速檢測，吳峰(2009)和Liu(2014)等的研究充分證實了MFC作為重金屬傳感器檢測的可行性。由于MFC電壓和輸出功率有限，當每次檢測完后需重新配置廢水，使電壓升高，對于清洗不充分，電壓恢復(fù)效果不好的反應(yīng)器給予重新清洗或多次換水的方法。隨著高濃度重金屬廢水的檢測，外接循環(huán)管道容易被腐蝕甚至更容易堵塞，應(yīng)及時更換管道，檢查電路。因此，該傳感器讀運行環(huán)境要求較高，同時也限制了傳感器的擴大化實施與運用，對干傳感器需進一步的探尋和研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種優(yōu)化參數(shù)下，電壓達到穩(wěn)定后，重金屬濃度與反應(yīng)器產(chǎn)電量呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用的MFC基本單元均為典型雙室MFC，中間由陽離子交換膜隔開。陰極室循環(huán)自配營養(yǎng)液并曝氣，陽極室循環(huán)不同濃度待測重金屬廢水并封閉。該系統(tǒng)通過外電路電量的變化情況設(shè)計MFC傳感器的可行性與準確性。