CN103746121A

CN103746121A - 一种微生物燃料电池以及检测氧化性重金属离子的方法

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Publication number: CN103746121A
Application number: CN201310682079.6A
Authority: CN
Inventors: 杨青; 鲁航文; 李中坚; 周雅旋; 沈晓丹; 包晗; 刘旭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: CN103746121B

Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池，阳极包括注满细菌培养液的阳极室，浸没在细菌培养液中阳极碳布，并设有从阳极碳布引出并延伸出所述阳极室外的阳极惰性电极，以及用于密封阳极室底部的质子交换膜；阳极下方设有用于密闭并支撑质子交换膜的阴极壳，该阴极壳内部具有空心的腔体，所述阳极室底部由质子交换膜密闭并伸入所述的腔体内，且阳极室外壁与阴极壳之间密封连接，阴极壳外部利用碳布包裹，作为阴极，该碳布上连接有阴极金属电极。还公开了一种利用上述微生物燃料电池检测氧化性重金属离子的方法，利用微生物燃料电池的基本原理和LED发光显示效果，最终实现对氧化性重金属离子的检测，该方法具有便携、无需外接供电和显示装置的优点。

Description

一种微生物燃料电池以及检测氧化性重金属离子的方法

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池应用领域，尤其涉及一种微生物燃料电池以及检测氧化性重金属离子的方法。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

微生物燃料电池（MFC）的基本结构与其他类型燃料电池类似，由阳极室和阴极室组成。其基本产电原理：

（1）阳极室中的氧化反应的底物（乙酸钠）在微生物作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物；

（2）阳极还原产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原；

（3）外电路电子传输电子经由外电路到达阴极；

（4）质子迁移产生的质子从阳极室经过质子交换膜到达至阴极室，到达阴极表面；

（5）阴极反应在阴极室中的氧化性物质与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应，氧化性物质被还原。电子不断产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。

发光二极管LED的发光原理：

发光二极管的基本构成为半导体P-N结，当外接正向电压达到导通电压后，P-N结导通，并发光，没有达到时，二极管不导通，不发光。一般而言，发光二极管的导通电压在2～3V不等，功率范围mW到上百W不等。

现有检测氧化物重金属离子的方法，需要较复杂的仪器与装置配合，操作复杂、条件要求多、且需要较长的时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携的，无需外接电源和检测装置的检测污水或其他溶液中的氧化物重金属离子的方法，该方法所使用的是一种微生物燃料电池，以克服现在离子检测技术中的操作复杂、条件要求多、时间长，并需要较复杂的仪器与装置配合的缺点。

一种微生物燃料电池，阳极包括注满细菌培养液的阳极室，浸没在细菌培养液中阳极碳布，并设有从阳极碳布引出并延伸出所述阳极室外的阳极惰性电极，以及用于密封阳极室底部的质子交换膜；

阳极下方设有用于密闭并支撑质子交换膜的阴极壳，该阴极壳内部具有空心的腔体，所述阳极室底部由质子交换膜密闭并伸入所述的腔体内，且阳极室外壁与阴极壳之间密封连接，阴极壳外部利用碳布包裹，作为阴极，该碳布上连接有阴极金属电极。

作为改进，所述阳极室由透明塑料管制成，并设有螺纹密封在透明塑料管顶部的阳极盖，该阳极盖具有供所述阳极电极穿过的通孔。微生物燃料电池的结构，与传统的左右电极结构不同，采用管状上下分布的结构，阴极与外界溶液直接接触，阳极上端利用螺纹实现封闭，并可以随时向阳极中添加微生物培养液和供微生物分解的有机物，便于维持阳极微生物的持续培养。

作为改进，所述透明塑料管底部外周带有外螺纹，该透明塑料管底部螺纹配合在阴极壳内，且阴极壳顶面与透明塑料管外周的衔接处涂设有密封胶，用以密封质子交换膜。质子交换膜夹在中空的阴极壳和阳极室之间，螺纹密闭并辅以胶封。

作为改进，所述质子交换膜与阴极碳布之间设有碳毡，增加阴极的接触面积，可提高阴极的接触效率。

作为改进，所述的阳极惰性电极和阴极金属电极均为惰性金属电极，阴阳两极均采用碳布作为电极，为防止碳布浸润溶液导致接触金属腐蚀，由惰性金属电极接出。

一种应用上述微生物燃料电池检测氧化性重金属离子的方法，包括以下几个步骤：

1）搭设检测电路，该检测电路包括用于测试的发光二极管和向所述发光二极管供电的储能电路；

2）把储能电路的两端分别接入微生物燃料电池的阳极电极和阴极电极，然后将所述的氧化性溶液替换为待测溶液，对所述的储能电路进行充电储能；

3）断开储能电路与微生物燃料电池的连接，使所述的储能电路为发光二极管供电；

4）观察发光二极管的点亮情况，判断待测溶液中是否含有氧化性重金属离子。

本方法利用微生物燃料电池可自供电特性，以及基于微生物燃料电池产生电动势随不同的阴极反应而变化的本质属性，无需外接附加电源，即可实现利用简单便携的对于氧化性离子的初步检测。并将阴极与阳极反应的电势差作为检测指标，该电势差取决于物质的本质属性，当阴极被测溶液中含有一定浓度的重金属氧化性离子时，会自发反应，产生相应的电压，电池制作廉价，稳定可靠。

作为改进，所述的储能电路包括多个电容和单刀双掷开关，在储能电路充电储能时，拨动所述的单刀双掷开关，使所有的电容并联充电，待每个电容的电压达到所述微生物燃料电池的电动势后，再拨动所述的单刀双掷开关，使所有的电容串联并向所述的发光二极管供电。

所用的检测电路采用无需附加电源的电容储电电路，并通过开关的切换实现充电时电容并联，各自达到电池电动势，放电时电容串联，电压相加，达到放大电池电动势的目的。放大倍数为所用电容个数，调节电容的个数，可以改变装置检测的灵敏度和适用的被测重金属离子。

作为改进，所述待测溶液的PH为1～3，且在所述的步骤2）中，可以将碳布和碳毡采用橡皮筋等方式灵活固定，在所述的氧化性溶液替换为待测溶液时，将碳布和碳毡拆下，使用蒸馏水清洗，防止干扰。

作为改进，本发明所使用的发光二极管可选用市面常见的小功率LED，理论上功率为100mW以下。一般而言，发光二极管的导通电压在2～3V不等，功率范围mW到上百W不等，微生物燃料电池的电动势受到电池反应本身的限制，一般来说难以达到2～3V以驱动发光二极管，此外，小型微生物燃料电池的发电功率较小，如果直接供电，需要的电流强度较大，会导致电池的体积增大，因此为实现两者的配合工作，设计了由电容以及换路开关组成的电路，实现将电压放大以及储电放电交替的过程。

在本发明中，电路工作基本原理为：电容的并联充电与串联放电。

电容充电：

当电路开路时，阴极和阳极两端的电压差为氧化反应与还原反应本身的化学势能之差，即为输出电动势。

电容的充电过程中电容两端的电压变化：

V = E_{0} - E_{0} * {- e}^{- \frac{t}{τ}}

达到平衡时，t>>τ最终会达到电池两端的电动势E₀。

多电容并联时，每一个电容均可达到电池两端的电动势。

电容放电：

多个电容串联时，总电压为每个电容电压之和，从而由N个电容组成的串联电路，输出电压V=NE₀。

单个电容中存储的能量：

W_{0} = \frac{1}{2} {CU}^{2}

N个电容的能量即为：

W_{0} = \frac{N}{2} {CU}^{2}

总能量与N与U²成正比，在实验中，当U仅有100mV时，采用100μF的电容，并联30个电容，已经能够很明显地看到LED的闪亮，通过改善电池结构增大U后，可以减少需要电容的个数，同时延长闪亮时间，效果更佳。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明可以实现一种操作简便、轻便、廉价、无污染、并有一定的可靠性的检测重金属污染物的方法，将微生物燃料电池与检测电路相结合，利用了微生物燃料电池技术、电容储电原理和LED显示方法，可以最终实现对于溶液中的氧化性重金属离子的初步检测，并且完全自驱动，自显示，无需外接任何电源。

在微生物燃料电池中，所采用的是普通的透明塑料管作为阳极室容器，上端有内螺纹与阳极盖形成螺旋密封，阳极盖上穿孔，孔内伸出与碳布直接接触的不活泼金属丝作为电极；下端有外螺纹与阴极壳内螺纹旋紧密闭，并在螺纹中固定住质子交换膜，为保证密闭，最后可用胶沿螺纹口固定。且本发明以碳布作为阴极和阳极，材料简单、廉价，同时，为了提高阴极的接触效率，在碳布与质子交换膜之间垫上合适大小的碳毡。阴极壳中央挖掉，留出电极位置，阴极的碳布直接伸出溶液，同样在顶端接惰性金属电极，两个电极接入电路板的相应位置即可。

附图说明

图1为本发明的为微生物燃料电池的结构示意图；

图2为图1中微生物燃料电池的阴极局部立体结构示意图；

图3为本发明中检测电路的电路图（以10个电容为例）。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种微生物燃料电池，包括透明塑料管，顶部螺纹固定有阳极盖3，其内部为注满细菌培养液的阳极室1，该阳极室1内设有阳极碳布2，阳极电极4由阳极碳布2引出并穿过阳极盖3上的通孔延伸出阳极室1外，透明塑料管底部密封设置有质子交换膜11；还包括阴极壳7，阴极壳7内部具有空心的腔体，透明塑料管1底部螺纹配合在腔体内，且阴极壳7顶面与透明塑料管外周的衔接处涂设有密封胶8，阴极壳7底部固定有阴极碳布5，该阴极碳布5与质子交换膜11之间设有碳毡9；阴极壳7放置在顶部敞开的容器中，该容器内放置有氧化性的溶液10，且阴极碳布5上连接有阴极电极6，阴极电极6和阳极电极4均采用惰性金属电极。

在本实施例中，应用上述微生物燃料电池检测氧化性重金属离子的方法，包括以下几个步骤：

第一步：根据上述描述的微生物燃料电池，制成微生物燃料电池器件，需要保证电极与碳布（包括阴极和阳极）之间接触紧密，阳极室底部由质子交换膜完全密封（无漏液现象），同时，在阳极室中放入培养好的细菌培养液，阴极放入氧化性的溶液，并在阴阳两极间接入电阻，构成闭合回路，维持一定的条件，使微生物在阳极中培养一段时间，维持合适温度等条件，定期添加营养物质，至电压稳定。

第二步：搭设检测电路，测电路实为一种电压放大电路，其包括位于主回路上的发光二极管和依次设置的多个电容，相邻两个电容之间连接有单刀双掷开关，该单刀双掷开关用于控制所有的电容串联和并联；

具体电路结构如图3所示（图中以10个电容为例）：

（1）VCC和GND端口间接微生物燃料电池，其中VCC接阴极，GND接阳极。S0为微生物燃料电池端切换开关，其他均为电容间切换开关，配合工作能够实现电路的换路。

（2）充电：将连接电容的所有单刀双掷开关拨至下侧，单刀双掷开关S0拨到左侧。这样，每一个电容的左侧接电源正极（阴极），右侧接电源负极（阳极），从而实现充电过程。

（3）放电：将S0的开关拨到右侧，连接电容的单刀双掷开关拨到上侧，连通电路接通，所有的电容收尾相接，形成串联闭合回路，给LED供电。

（4）把检测电路的两端分别接入微生物燃料电池的阳极电极和阴极电极，并将所述的氧化性溶液替换为待测溶液；

第三步：根据图3中的电路图，设计PCB板，焊接元件，得到电压转换电路板，将敞开的容器中的氧化性溶液替换为待测溶液，并调节PH至合适值，同时将阴极碳布用蒸馏水清洗，阴极接到VCC端口，阳极接GND端口，将微生物燃料电池的阴极壳浸入待测溶液中，保证阴极碳布完全浸没。

第四步：将图3中连接电容的所有单刀双掷开关拨至下侧，单刀双掷开关S0拨到左侧，进行充电至电容电压达到电池电动势。

第五步：将电路图单刀双掷开关S0拨到右侧，连接电容的单刀双掷开关拨到上侧，使所有的电容和LED组成串联的闭合回路，观察LED点亮的情况，对阴极溶液是否含有氧化性重金属离子进行初步判定。

在具体实施中：发光二极管为30mW功率的LED，待测溶液为2.5mmol/L的重铬酸钾溶液，微生物燃料电池可以产生0.1V左右的电动势，重复上述的检测步骤，经过检测电路的电压放大，使LED点亮（放电瞬间明显闪亮一下），而在清水中，由于无法实现电池的反应，电动势为0；此外，在一定的浓度范围内，重铬酸钾的浓度对电动势大小影响很小，适当延长充电时间，增大电容数目，可以提高检测的灵敏度；检测完成后，将所有开关复位，重新接入电阻，浸入合适的阴极溶液，维持电池工作状态。

Claims

1.一种微生物燃料电池，其特征在于，阳极包括注满细菌培养液的阳极室，浸没在细菌培养液中阳极碳布，并设有从阳极碳布引出并延伸出所述阳极室外的阳极惰性电极，以及用于密封阳极室底部的质子交换膜；

2.如权利要求1所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极室由透明塑料管制成，并设有螺纹密封在透明塑料管顶部的阳极盖，该阳极盖具有供所述阳极电极穿过的通孔。

3.如权利要求2所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述透明塑料管底部外周带有外螺纹，该透明塑料管底部螺纹配合在阴极壳内，且阴极壳顶面与透明塑料管外周的衔接处涂设有密封胶，用以密封质子交换膜。

4.如权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜与阴极碳布之间设有碳毡，增加阴极的接触面积。

5.如权利要求4所述的微生物燃料电池，其特征在于，所述的阳极惰性电极和阴极金属电极均为惰性金属电极。

6.一种利用如权利要求1～5任一项所述的微生物燃料电池检测氧化性重金属离子的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

7.如权利要求6所述的检测氧化性重金属离子的方法，其特征在于，所述待测溶液的PH为1～3。

8.如权利要求7所述的检测氧化性重金属离子的方法，其特征在于，在所述的步骤2）中，在所述的氧化性溶液替换为待测溶液时，将碳布和碳毡拆下，使用蒸馏水清洗，防止干扰。

9.如权利要求8所述的检测氧化性重金属离子的方法，其特征在于，所述的发光二极管的功率为100mW以下。

10.如权利要求6所述的检测氧化性重金属离子的方法，其特征在于，所述的储能电路包括多个电容和单刀双掷开关，在储能电路充电储能时，拨动所述的单刀双掷开关，使所有的电容并联充电，待每个电容的电压达到所述微生物燃料电池的电动势后，再拨动所述的单刀双掷开关，使所有的电容串联并向所述的发光二极管供电。