CN106153700B - 一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统 - Google Patents

一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，该系统利用海底生物燃料电池的电催化降解作用作为设计原理，即海底沉积层中的细菌不断分解有机污染物（如石油污染物），产生电子，海泥中置入负极，海水中放置正极，电子通过附着细菌转移到负极上，再经导线转移到正极，形成连续不断的电流，测试系统中的电流和电压信号；根据电流大小与污染物体系降解率的相关性可以原位监测并评价石油污染降解效果。同时该系统还可以提高石油降解效率，提高环境修复速度；更可以用来进行生物发电，驱动海底小型监测仪器运行。本发明把海底污染物降解原位监测技术、海底污染物加速降解、海底生物能源发电结合在一起，开发海底沉积层生物燃料电池传感器监测新系统。

Description

一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传 感器系统
技术领域
本发明属于海洋有机污染物（例如石油）原位监测和环境修复治理技术领域，具体涉及海底沉积层生物燃料电池作为传感器系统原位监测石油污染物并加速石油污染物降解。
背景技术
长期以来，海洋环境的污染越来越严重。近几年来，国内外均发生了严重的海洋石油污染事件，2009年美国墨西哥湾石油平台倒塌引发的石油大面积污染；2009年中国大连石油企业管道爆炸引起严重的漏油事件；2011年中国渤海湾采油平台输油管道漏油等等，均造成严重的生态灾难。目前石油污染物在海底和濒海滩涂堆积已经严重影响了海洋生态平衡，如何高效的治理石油污染一直是人类关注的海洋环境课题。
为此，人们开发研究了多种处理方法和监测技术，清理和清除海洋石油污染、净化海洋。例如：物理处理法、化学处理法和生物处理法等。物理机械法和化学法普遍存在除油不彻底和容易造成二次污染的问题，而生物降解法具有处理费用低、治理效果好、对环境影响小、无二次污染等优点，体现出其他方法无法相比的优越性，越来越受到人们的重视。人们利用微生物降解处理土壤的石油污染，开发了原位生物修复、异位生物修复技术，例如：现场处理法、预制床法、堆制处理法、生物反应器和厌氧生物处理法等。但是，这些方法普遍存在生物降解效率低、筛选驯化的菌种适应性差、处理的费效比高、经济性差等问题，一直未能达到工程应用的目标。另一方面，海底沉积层中石油污染物的分布和降解程度也是人们关注的问题。海底条件复杂，人们很难原位同步测试海底石油污染物的降解程度，所以，人们也迫切需要开发一种海底石油污染物降解原位监测系统。
本发明利用海底沉积层生物燃料电池的电催化降解作用，作为新型传感器的设计原理。这种海底沉积层生物燃料电池的工作原理如图1所示：在海水1和海底沉积层（以下简称海泥）2之间存在一个明显的海泥/海水界面，在界面下部植入石墨负极3，上部放置石墨正极4；海泥/海水界面相当于普通燃料电池的质子交换膜，燃料指沉积层中的有机物（如石油等有机污染物）和无机物；沉积层和负极表面的微生物5不断分解有机物和无机物，产生电子，这些电子可以通过附着细菌转移到负极上，接通电路，形成连续不断的电流，从而产生电能。电池的负极反应主要有两种，一种是石油等有机污染物氧化，另一种是沉积物中硫化物氧化，它们均被负极表面的附着细菌所催化。正极反应主要是利用负极产生的电子，氧与氢离子反应生成水。
海底沉积层生物燃料电池“燃料”消耗的本质是有机污染物的微生物降解。在开路情况下，海底石油污染物中尽管存在生物降解，但是速率很慢；而在通路条件下，随着生物降解产生的电子被转移用于产生电能做功，微生物的降解活性显著提高，生物降解过程处于加速反应状态。这相当于一种自发的电催化反应过程，电流大小直接反映微生物降解石油时的产电程度，同时也代表石油的降解速率。因此，在污染物处理现场，人们能够利用该电池的加速作用进行原位生物修复和原位监测降解率。
中国海洋大学付玉彬研究小组通过模拟海底石油污染环境，根据实验数据得出石油降解速率与电流密度的关系，绘制出如图2所示降解速率与电流密度的关系曲线，从而建立起海底石油污染物降解速率和海底沉积层生物燃料电池电流密度之间的相关性，本发明根据此曲线结合传感器收集的数据可以原位监测海底石油污染物的降解速率。
有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器以海底沉积层生物燃料电池的电催化降解作用为设计依据，在海泥与海水界面处采用密封装置安置数据采集仪，进行原位监测，另外建立控制系统，调节电阻、电压和电流，防止电极性能极化，保持稳态，加速降解。本发明实现了海底沉积层生物燃料电池传感器系统原位监测石油污染降解效果；同时还提高了石油降解速率，加速环境修复速度；更可以用来进行生物发电，驱动海底小型监测仪器运行。由此可见，海底沉积层生物燃料电池传感器系统的发明实现了人们对海底环境有机污染物的原位监测、控制和生态修复，使人们能够实时动态地监测、预测并分析海泥内部的生态修复情况。
发明内容
本发明的目的是为了克服海底石油污染降解速率低、难以实现原位监测等困难，为解决上述技术问题，发明了一种利用海底沉积层生物燃料电池的电催化降解作用作为设计原理的新型传感器系统，测试电池性能（包括电流、电压等指标），实时评价石油污染降解效果，实现原位监测和远程控制整个系统等。
这种新型海底沉积层生物燃料电池原位监测传感器系统如图3所示：在海泥和海水之间存在一个明显的海泥/海水界面，在界面下部置入负极1（包括但不限于如下电极材料：普通石墨电极、碳毡电极、碳纤维电极、碳刷电极等），负极距离界面30-100cm，界面上部（海水中）放置正极2（包括但不限于如下电极材料：普通石墨电极、碳毡电极、碳纤维电极、碳刷电极等），正极距离界面30-100cm，将参比电极3（如饱和甘汞电极、氯化银电极、锌参比电极等）置入海泥中，可以测负极电位。正、负极通过导线连接，构成海底沉积层生物燃料电池。
在电池电路中串联变阻箱4，调节电阻，通过数据采集仪5的通道6、7、8分别记录电流、开路电压、负极电位，为保护数据采集仪，在它外部安置一个密封箱9，并将数据采集仪连接一个控制器10，根据输出电流和电压调节电阻，防止电极性能极化，保持稳态，通过远程监控系统11记录最终的输出电流和输出电压值。
电池系统连接完成后，正负极和电阻箱串联组成闭合回路，需要10-14天的启动和稳定时间，稳定之后，在闭合电路中串联5~1000欧电阻，进行长期放电，定期收集负极电位、开路电压和电流，绘制负极电位-时间、开路电压-时间、电流-时间曲线，测试电池性能的稳定性，根据电流、电压的变化由控制器调节电阻值，维持电池的稳态，防止极化现象，并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算有机污染物（如石油）的降解速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明涉及一种利用海底沉积层生物燃料电池的电催化降解作用作为设计原理的新型传感器系统，该新型传感器系统将能够实现人们对海底石油污染的原位监测、控制和生态修复。
2、海底沉积层生物燃料电池的电催化作用能够加速电子传递从而加速海底石油污染物的降解，加速环境修复速度。
3、在海底采用密封装置安置数据采集仪，实现了石油污染物的原位监测，减小数据在传输过程中的误差。
4、传感器系统中的控制装置，能够根据电路中的电流、电压调节电阻，实现了传感器的稳态运行。
5、在海底沉积物中富含大量的细菌，不必人工培养菌株，其中石油降解菌在产电的同时降解石油污染物。
6、一个海底沉积层生物燃料电池必须有一个正极和负极，正极和负极之间由质子交换膜阻隔，本发明在海底沉积层与海水之间存在一个明显的海泥/海水界面，作为天然的质子交换膜，无需人工质子交换膜，显著降低成本。
7、本发明采用天然海水和天然海底沉积物，降低了原材料的成本。
8、通过数据采集仪收集的数据由电脑检测系统进行实时反馈，根据电流密度适时评价石油污染的降解效果。
9、本发明把海底污染物原位监测技术、海底沉积层生态修复技术、生物能源发电结合在一起，一举多得。
附图说明
图1：海底沉积层生物燃料电池工作原理示意图
1、海水；2、海泥；3、负极；4、正极；5、微生物；6、用电器或控制系统。
图2：石油降解速率-电流密度关系曲线。
图3：海底沉积层生物燃料电池原位监测传感器系统示意图
1、电池负极；2、电池正极；3、参比电极；4、变阻箱；5、数据采集仪；6、电流通道；7、开路电压通道；8、负极电位通道；9、密封箱；10、控制器；11、远程监控系统 。
具体实施方式
实施例1：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统应用于原位监测海底石油污染物的降解效果。
将海底沉积层生物燃料电池的碳纤维负极1（长1m，宽1m，厚0.2m，由多个钛制碳纤维刷构成）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面30cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面20cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱4调至1000欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和电流通道6分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，测试得到电池电流密度为5.86mA/m2,并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算石油降解速率为0.11g/cm3/h。
实施例2：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统应用于原位监测海底石油污染物的降解效果。
将海底沉积层生物燃料电池的碳毡负极1（长1m，宽1m，厚0.2m）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面20cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱4调至1000欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和电流通道6分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，测试得到电池电流密度为5.58mA/m2,并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算石油降解速率为0.09g/cm3/h。
实施例3：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统应用于原位监测海底石油污染物的降解效果。
将海底沉积层生物燃料电池的碳棒负极1（长1m，宽1m，厚0.2m）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面100cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面20cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱4调至1000欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和电流通道6分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，测试得到电池电流密度为5.33mA/m2,并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算石油降解速率为0.07g/cm3/h。
实施例4：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统应用于原位监测海底石油污染物的降解效果。
将海底沉积层生物燃料电池的碳纤维负极1（长1m，宽1m，厚0.2m）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面20cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱4调至5欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和电流通道6分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，测试得到电池电流密度为1019.81mA/m2,并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算石油降解速率为11.17g/cm3/h。
实施例5：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统应用于原位监测海底石油污染物的降解效果。
将海底沉积层生物燃料电池的碳纤维负极1（长1m，宽1m，厚0.2m）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面20cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱4调至500欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和电流通道6分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，测试得到电池电流密度为22.39mA/m2,并依据降解速率与电流密度的关系曲线计算石油降解速率为0.28g/cm3/h。
实施例6：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统的电池性能。
将海底沉积层生物燃料电池的碳纤维负极1（长1m，半径0.2m）和参比电极饱和甘汞电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面60cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱调至5欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和开路电压通道7分别记录负极电位和开路电压，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，定期测试负极电位和开路电压，绘制负极电位-时间和开路电压-时间曲线，测试电池性能的稳定性。结果表明，两周后，负极电位稳定在-410mV左右，开路电压稳定在740mV左右，电路电流稳定在998.97 mA/m2左右。
实施例7：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统的电池性能。
将海底沉积层生物燃料电池的碳毡负极1（长1m，半径0.2m）和参比电极氯化银电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面60cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱调至5欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和开路电压通道7分别记录负极电位和开路电压，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，定期测试负极电位和开路电压，绘制负极电位-时间和开路电压-时间曲线，测试电池性能的稳定性。结果表明，两周后，负极电位稳定在-380mV左右，开路电压稳定在720mV左右，电路电流稳定在986.75 mA/m2左右。
实施例8：本实施案例用于说明海底沉积层生物燃料电池传感器系统的电池性能。
将海底沉积层生物燃料电池的碳棒负极1（长1m，半径0.2m）和参比电极锌参比电极电极3均置于海泥中，距离海泥/海水界面60cm；电池石墨棒圆柱状正极2(直径0.5m，高1m)悬置在海水中，距离海泥/海水界面60cm；通过导线连接，构成电池。为了减小极化的影响，将串联在电池正负极中间的变阻箱调至5欧姆，电池连接一个数据采集仪5，平置在海泥/海水界面上部，通过数据采集仪的负极电位通道8和开路电压通道7分别记录负极电位和开路电压，构成电池的通路装置。所有电连接部位都要用环氧密封，并与海水绝缘，避免影响电池性能和电池寿命。
整个系统连接完成后，电池需要10-14天的启动和稳定时间，两周后，电池可以稳定供电，进行长期放电，定期测试负极电位和开路电压，绘制负极电位-时间和开路电压-时间曲线，测试电池性能的稳定性。结果表明，两周后，负极电位稳定在-360mV左右，开路电压稳定在700mV左右，电路电流稳定在945.78 mA/m2左右。

Claims (8)

1.一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，该传感器系统依据海底沉积层生物燃料电池电催化降解原理，电池负极插入海底沉积层(简称海泥)中，正极放置在海水中，沉积层细菌代谢分解污染物产生电子，转移到负极表面，进入电路和正极，构成回路；电池连接数据采集仪、控制器和远程监控系统，测试传感器系统的电流和电压，通过电流监测评价有机污染物降解速率；根据电流、电压的变化由控制器调节电阻值，维持电池的稳态，防止极化现象；将参比电极置入海泥中，测负极电位；电池连接数据采集仪，通过数据采集仪的负极电位通道和电流通道分别记录负极电位和电池电流，构成电池的通路装置。
2.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其原理为，电池回路电流大小代表海泥中有机污染物的降解速率，电流大，有机污染物降解速率大。
3.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其需要连接一个数据采集仪，测试传感器系统的电流和电压数据。
4.根据权利要求3所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其连接的所述数据采集仪外侧用密封箱密封，与海水绝缘，放置海底，实现原位监测。
5.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其连接一个变阻箱，改变电路电阻。
6.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其连接一个控制器，调节电阻、电压和电流，防止电极性能极化，保持稳态，提高降解速率。
7.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，其连接一个远程监测系统，通过实时数据评价有机污染物的降解效果。
8.根据权利要求1所述一种有机污染物降解原位监测用海底沉积层生物燃料电池传感器系统，所述海底沉积层生物燃料电池电极包括如下电极材料：普通石墨电极、碳毡电极、碳纤维电极、碳刷电极。
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