CN103326053A - 一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微生物电化学领域，特别涉及一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统。本发明系统由基质储藏罐、蠕动泵；筒式微生物燃料电池、阳极电极、阴极电极、数据采集卡、负载电阻、数据记录和分析仪、三电极系统和电化学工作站组成；所述筒式微生物燃料电池包括筒式壳体、壳体内的阳极室、阴极室及质子交换膜；电化学测试时，直接将阳极电极作为工作电极构成三电极体系，利用电化学工作站进行分析。本发明提供了一种直接研究产电微生物的方法和装置，不存在微生物损伤，简单方便，避免以往方法由于微生物转移等造成的分析误差，可真实反映产电微生物的电化学特性，具有一定的应用价值。

Description

一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统

技术领域

本发明属于微生物电化学领域，特别涉及一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统。

背景技术

电化学在水处理、金属腐蚀、生物能源等领域具有重要的应用价值，微生物电化学是重要的研究方向。微生物燃料电池（MFC）是微生物电化学的一个应用案例，其重要特征是MFC内产电微生物可在降解有机废水的同时直接产电。基于上述基本原理，MFC直观的电信号是研究微生物电化学的便利手段。目前还没有类似的研究装置报道。

通常研究MFC内微生物的电化学特性需要借助电化学工作站等设备，而且需要对MFC微生物从阳极电极转移到电化学工作站的体系内，存在两个问题：首先微生物在转移过程中性能可能会发生改变；其次，吸附在阳极电极表面的产电微生物转移到电化学工作站的电解液中可能不能真实的反应其电化学特性。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统。

一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统，该系统中基质储藏罐通过管路与蠕动泵相连，蠕动泵通过管路与设置在阳极室底部的进料口相连；在阳极室上部侧壁设置排液口，在阳极室底部设置多个阳极电极，所述多个阳极电极由一个或多个工作电极和一个或多个对比电极组成；在阳极室上方设置质子交换膜，质子交换膜上方设置阴极室，三者顺次相连；所述阴极室内设置阴极电极，阴极室侧壁设置空气孔；

所述多个阳极电极中每个工作电极分别通过导线与负载电阻，数据采集卡和三电极系统相连；所述负载电阻和数据采集卡分别通过导线与阴极电极相连；所述数据采集卡通过导线与数据记录和分析仪相连；所述三电极系统通过导线与电化学工作站相连。

所述多个工作电极由5个工作电极和2个对照电极组成。

所述阴极电极为圆盘状石墨电极。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种直接研究产电微生物的方法和装置，不存在微生物损伤，简单方便，避免以往方法由于微生物转移等造成的分析误差，可真实反映产电微生物的电化学特性，具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明系统装置结构示意图；

图2为图本发明实施例1中MFC运行12天时不同阳极电极连续条件下MFC的输出电压图；

图3为本发明实施例1中不同阳极电极的电压分配图；

图4为本发明实施例2中MFC运行5天时不同电极的循环伏安扫描分析曲线；

图5为本发明实施例3中MFC运行12天时不同电极的循环伏安扫描分析曲线；

图中标号：1-阳极室底面；2-基质储藏罐；3-蠕动泵；4-进料口；5-阳极电极；6-阳极室；7-质子交换膜；8-空气口；9-阴极室；10-阴极电极；11-排液口；12-数据采集卡；13-负载电阻；14-数据记录和分析仪；15-三电极系统；16-电化学工作站；S1、S2、S3、S4和S5依次为第一工作电极、第二工作电极、第三工作电极、第四工作电极和第五工作电极；C1和C2分别为是第一对照电极和第二对照电极。

具体实施方式

本发明提供了一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统，该系统中基质储藏罐2通过管路与蠕动泵3相连，蠕动泵3通过管路与设置在阳极室6底部的进料口相连；在阳极室6上部侧壁设置排液口11，在阳极室6底部设置多个阳极电极5，所述多个阳极电极5由一个或多个工作电极和一个或多个对比电极组成；在阳极室6上方设置质子交换膜7，质子交换膜7上方设置阴极室9，三者顺次相连；所述阴极室9内设置阴极电极10，阴极室9侧壁设置空气孔8；

所述多个阳极电极5中每个工作电极分别通过导线与负载电阻13，数据采集卡12和三电极系统15相连；所述负载电阻13和数据采集卡12分别通过导线与阴极电极10相连；所述数据采集卡12通过导线与数据记录和分析仪14相连；所述三电极系统15通过导线与电化学工作站16相连。

所述多个工作电极5由5个工作电极和2个对照电极组成。

所述阴极电极10为圆盘状石墨电极。

本发明的技术方案是：包括筒式微生物燃料电池、电化学工作站和数据采集系统。所述微生物燃料电池包括筒式壳体、壳体内的阳极室、阴极室及离子交换膜。阳极室的特征是由可原位进行循环伏安等电化学分析的阳极电极，有机基质由阳极底部进入，在阳极室内由阳极电极表面产电微生物降解转化产电。阴极为圆盘电极。电化学测试时，直接将阳极电极作为工作电极构成三电极体系，利用电化学工作站进行分析。

本发明的微生物燃料电池的阳极室，主要包括筒状的阳极壳体、棒状阳极电极。所述的阳极电极由5个工作电极和2个对照电极组成。5个工作电极间并联与与阴极电极通过负载电阻形成闭合回路，对照电极没有连接电路。所述的阴极室主要由阴极筒体，阴极圆盘电极组成。所述电极材料可以是石墨、碳等。

所述阳极室内阳极液为有机废水，在厌氧环境中废水采用升流式方式经阳极表面产电微生物处理产电，再由阳极顶端排出。所述阴极室内阴极液为磷酸盐缓冲液，由气泵连续鼓气提供阴极液内的饱和溶氧。MFC开始工作时，电极室内阴阳极电极通过导线与外电路连接，并通过数据采集卡采集负载电阻两端的电压信号，最后由与采集卡相连的电子计算机进行数据的收集和处理。所述阳极室内电极表面微生物进行电化学分析时直接将阳极电极与电化学工作站连接。所述电化学分析包括循环伏安扫描、交流阻抗分析等。

上述有机废水可以是啤酒废水，淀粉废水，城市污水等。

实施例1

微生物电化学特性研究系统详请参见图1。在MFC运行12天时，为测试阳极电极的电性能，把MFC阳极室内的S1，S1和S2，S1、S2和S3，S1、S2、S3和S4，S1、S2、S3、S4和S5号工作电极分别断开，MFC电压逐渐降低，最后变为零，如图2所示。连续重复三次发现MFC输出电压具有同样的变化趋势。与工作电极相比，2个对照电极C1、C2接通电路后MFC电压没有明显变化，说明对于MFC来讲，阳极在闭合电路条件下才能富集电化学活性微生物。在MFC运行到25天和35天时，又分别进行了两次电极实验。图3总结了每个电极单独的电压贡献，可以看出，工作电极电压贡献由大到小依次为S4>S5>S3>S2>S1，由于这些电极在空间位置上并没有显著差异，该结果说明电化学活性微生物在阳极室空间选择的多样性。相比工作电极，对照电极由于没有连接电路，连接电路测试时几乎不能产电。因此，通过比较电压分配和贡献来表征微生物的电化学性能。

实施例2

采用实施例1中的装置，在MFC运行5天时，将MFC阳极电极分别连接电化学工作站，进行循环伏安扫描（CV），其中MFC内工作电极S1、S5，MFC内对照电极，MFC外对照电极（B1）的循环伏案扫面图谱如图4所示，在250mV附近，S5具有明显的氧化峰，S1则没有。在MFC运行12天时，再次对部分电极进行循环伏安扫描，其中MFC内工作电极S2、S4、S5，MFC内对照电极C1和C2的循环伏案扫面图谱如图5所示。首先S5在250mV附近的氧化峰消失，但是在-300mV附件有明显的还原峰。工作电极均具有明显的还原峰，对照电极则没有，即说明工作电极表面吸附有电化学活性微生物，对照电极表面没有或吸附不具有电化学活性的微生物。此外，工作电极所呈现的还原峰大小依次为S4>S2>S5。该结果与图2内展现的电压分配结果一致。这说明通过微生物的电化学性能强弱与产电贡献具有相应的匹配关系。因此，本发明中的多阳极微生物电化学装置可以用来原位检测和研究微生物的电化学性能。

Claims (3)

1.一种研究微生物电化学的多电极微生物燃料电池系统，其特征在于：该系统中基质储藏罐（2）通过管路与蠕动泵（3）相连，蠕动泵（3）通过管路与设置在阳极室（6）底部的进料口相连；在阳极室（6）上部侧壁设置排液口（11），在阳极室（6）底部设置多个阳极电极（5），所述多个阳极电极（5）由一个或多个工作电极和一个或多个对比电极组成；在阳极室（6）上方设置质子交换膜（7），质子交换膜（7）上方设置阴极室（9），三者顺次相连；所述阴极室（9）内设置阴极电极（10），阴极室（9）侧壁设置空气孔（8）；

所述多个阳极电极（5）中每个工作电极分别通过导线与负载电阻（13），数据采集卡（12）和三电极系统（15）相连；所述负载电阻（13）和数据采集卡（12）分别通过导线与阴极电极（10）相连；所述数据采集卡（12）通过导线与数据记录和分析仪（14）相连；所述三电极系统（15）通过导线与电化学工作站（16）相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多个工作电极（5）由5个工作电极和2个对照电极组成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述阴极电极（10）为圆盘状石墨电极。

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