CN203720134U - 基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 - Google Patents
基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN203720134U CN203720134U CN201320463082.4U CN201320463082U CN203720134U CN 203720134 U CN203720134 U CN 203720134U CN 201320463082 U CN201320463082 U CN 201320463082U CN 203720134 U CN203720134 U CN 203720134U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mfc
- signal generator
- signal
- module
- alarm system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
本实用新型提供基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压。MFC信号发生器阳极材料进行电化学修饰并使用产电纯菌接种，缩短启动时间，增强基线信号稳定性。信号采集与报警电路包括单片机最小系统、电源模块、液晶显示模块和声光报警系统。当水体存在有毒物质时，MFC信号发生器的输出信号就会偏离基线，当偏离值超过报警电路的设计阈值时，电路上的声光报警系统就会启动发出警报。本实用新型所述装置信号稳定，设计简洁，便携性强，适用于各种水质检测场合。
Description
技术领域
本实用新型属于水质检测技术领域，尤其涉及基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置。
背景技术
当前,严重的水污染对生态环境构成了极大的破坏,对于水污染的治理关乎人类的生存与发展。而水污染治理的关键环节之一在于能否对水质进行正确、客观的评估,以便为相关部门提供科学管理和控制水污染的依据。但是,目前对水质指标的检测主要依赖于实验室的大型分析设备,这些设备体积较大、检测耗时较长、分析检测中会消耗大量化学试剂,且价格昂贵,极不适于目前水质检测广泛应用的迫切需要。
此外，传统的理化分析方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各种有毒物质对环境的综合影响。而生物检测可以综合多种有毒物质的相互作用，判定有毒物质的质量浓度和生物效应之间的直接关系，从而为水质的监测和综合评价提供科学依据，因而得到了迅速发展和广泛应用。
传统水质毒性检测方法有藻类毒性检测、鱼类毒性检测、蚤类毒性检测、原生动物毒性检测，这些生物的生长周期对水质检测有较大的限制，实际运行难度大。水质生物毒性检测的新方法主要集中在微生物毒性试验，典型代表是发光细菌毒性检测，但这需要昂贵的光检测装置、专业的实验操作。
微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将水体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，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流/电压，而质子通过离子交换膜传递到阴极被还原。微生物产电的能力与其自身的生理状态相关，当水体存在有毒物质对微生物产生抑制作用时，MFC输出的电流/电压减小。
实用新型内容
针对以上不足，本实用新型提供基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，具体技术方案如下
基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，其包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压。
进一步优化的，所述单片机模块采用单片机最小系统。
进一步优化的，所述MFC信号发生器的阳极材料采用表面负载PPY/AQS的石墨毡。
进一步优化的，所述装置还包括液晶显示模块，液晶显示模块由电源模块提供工作电压，与单片机最小系统相连接，显示MFC信号发生器输出的电压信号。
进一步优化的，所述MFC信号发生器的阳极接种有腐败希瓦氏菌。
上述装置的检测方法包括如下步骤：
（1）微生物燃料电池MFC信号发生器输出水质电信号；所述MFC信号发生器由阳极、阴极和离子交换膜组成，阳极和阴极被离子交换膜分隔开；
（2）与MFC信号发生器相连的单片机模块测量MFC输出的电压信号；
（3）当MFC信号发生器输出的电压信号低于单片机设定的阈值时，启动声光报警系统。
上述检测方法中，所述MFC信号发生器的阳极材料使用电化学方法进行修饰，使电极表面负载聚吡咯和蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS）。
进一步的，所述MFC信号发生器的阳极材料采用石墨毡，使用恒电压电聚合的方法进行修饰，使电极表面负载2-10库伦的聚吡咯/蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS）；所述负载是使阳极电极在吡咯浓度为135mmol/L和AQS浓度为10 mmol/L的水溶液中进行电聚合反应，在电极上生成PPY/AQS产物；所述MFC信号发生器的阴极液使用浓度为50 mmol/L的铁氰化钾水溶液；所述MFC信号发生器的阴极液使用浓度为50 mmol/L的铁氰化钾溶液。阴极电极材料为未修饰的石墨毡，阴极液使用强氧化性的铁氰化钾溶液以保持电压稳定。本实用新型采用恒电压电聚合的方法负载一定量的聚吡咯/蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS），达到使MFC快速启动并保持长时间输出稳定基线电压的目的。
与现有技术相比，本实用新型相对于已有技术具有以下显著优点：
1. MFC阳极电极经过电化学修饰，使MFC输出的基线信号强度与稳定性高；
2. MFC阳极使用产电纯菌接种，启动时间大大缩短；
3. 集成电路设计简洁，避免了计算机等复杂设备的使用，造价低廉，适于大规模推广应用；
4. 整套装置体积小，便携性好，适用于各种水质检测场合。
附图说明
图1为MFC信号发生器结构图，其中1为阳极、2为阴极、3为离子交换膜、4为进水口、5为出水口。
图2为信号采集及报警电路结构框图。
图3 为水体毒性检测装置整体示意图。
图4为第一优选实施例的结果曲线图。
图5为第二优选实施例的结果曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
如图2、图3，为水体毒性检测装置整体示意图，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压如图1，所述MFC信号发生器采用双室微生物燃料电池。单片机模块采用单片机最小系统。如图1，所述MFC信号发生器由阳极1、阴极2和离子交换膜3组成，阳极和阴极被离子交换膜分隔开。
单片机最小系统包括了单片机MSP430G2553 和提供时钟信号的晶振和用于下载程序的JTAG接口。其中单片机MSP430G2553是具有16KB Flash、512B RAM的低功耗16位MSP430微控制器。
单片机MSP430G2553内部集成了8通道的10位模数转换器。模数转换器可以通过程序选择使用外部或者内部参考电压，内部参考电压有2.5伏和1.5伏。当选择1.5伏时，其最小分辨电压可达1.5mV。本系统就是选择内部参考电压1.5伏。
电源模块包括了一枚9伏电池和线性稳压器AS1117。线性稳压器AS1117可以将电池的9伏输入转换成稳定的3.3伏输出，供整个系统使用。
显示模块是一块型号为LCD12864的点阵液晶，可以显示4行的字符，每行可以显示16个ASCII码字符。
声光报警提示模块由一个蜂鸣器、LED灯及与其相连的限流电阻组成。其中由于蜂鸣器所需的输入电流较大，于是使用一只三极管8550，能够增大单片机MSP430G2553的输出电流。
选择单片机MSP430G2553的P11端口作为待测量电压的输入端；单片机MSP430G2553的P10端口、P20端口分别连接蜂鸣器和发光二极管。
系统运行时，单片机MSP430G2553的内部10位模数转换器不断测量P11端口输入的待测电压，并将电压值实时显示在液晶LCD12864上。当测量到电压低于系统阈值伏时，单片机MSP430G2553将它的P10端口设置为低电平，从而蜂鸣器发出响声。同时，单片机MSP430G2553将它的P20端口设置为高电平，从而发光二极管被点亮。这样达到了声光提示报警的效果。
本实用新型提供的水质综合毒性检测方法包括以下步骤：
1. 启动MFC信号发生器，获得检测基线。用腐败希瓦氏菌接种到MFC阳极，外接2000欧姆电阻，两个小时内MFC输出电压达到稳定状态，此时将MFC与信号处理与报警电路连接，电路中装有小负荷电阻，两个小时内MFC输出电压达到另一个稳定状态，这个稳定状态就是检测时的基线。
2. 进水检测与报警。给MFC信号发生器进水样，当水样中包含有毒物质时， 会抑制阳极中的产电菌，使输出电压偏离基线，当偏离值达到程序的设定阈值时，单片机MSP430G2553将它的P10端口设置为低电平，从而蜂鸣器发出响声。同时，单片机MSP430G2553将它的P20端口设置为高电平，从而发光二极管被点亮。对于整个过程的电压变化，可以在电路上的液晶显示模块上看到。
以下再列举两个优选实例。
第一优选实施例：
在MFC阳极接种产电腐败希瓦氏菌，阴极加入浓度为50 mmol/L的铁氰化钾溶液，MFC外接2000欧姆负荷，2h后将MFC信号发生器与信号采集及报警电路连接，2h后，在电路中内嵌的小电阻作用下，输出电压达到稳定状态160mv。用电压表（CHY VC890D型，中国成元电子仪器公司）每隔60秒测定MFC产生的电压。此时往MFC阳极加入含有重金属离子Cd2+水样，使Cd2+浓度为0.2mg/L（即国标五类水要求浓度的20倍），结果MFC输出电压迅速下降，40min后电压降到100mv以下触发电路声光报警模块。（图3）
第二优选实施例：
在MFC阳极接种产电腐败希瓦氏菌，阴极加入铁氰化钾溶液，MFC外接2000欧姆负荷，2h后将MFC信号发生器与信号采集及报警电路连接，2h后，在电路中内嵌的小电阻作用下，输出电压达到稳定状态160mv。用电压表（CHY VC890D型，中国成元电子仪器公司）每隔60秒测定MFC产生的电压。此时往MFC阳极加入有机毒物硝基苯，使硝基苯浓度为0.17mg/L(即国标五类水要求浓度的10倍)，结果MFC输出电压迅速下降，50min后电压降到100mv以下触发电路声光报警模块。（图4）
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，其特征在于，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机模块和声光报警系统提供工作电压；所述MFC信号发生器的阳极材料采用表面负载聚吡咯和蒽醌-2-磺酸钠的石墨毡。
2.如权利要求1所述的基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，其特征在于，所述单片机模块采用单片机最小系统。
3.如权利要求1所述的基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，其特征在于还包括液晶显示模块，液晶显示模块由电源模块提供工作电压，与单片机模块相连接，显示MFC信号发生器输出的电压信号。
4.如权利要求1~3任一项所述的基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置，其特征在于，所述MFC信号发生器的阳极接种有腐败希瓦氏菌。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320463082.4U CN203720134U (zh) | 2013-07-31 | 2013-07-31 | 基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320463082.4U CN203720134U (zh) | 2013-07-31 | 2013-07-31 | 基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN203720134U true CN203720134U (zh) | 2014-07-16 |
Family
ID=51159275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201320463082.4U Expired - Fee Related CN203720134U (zh) | 2013-07-31 | 2013-07-31 | 基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN203720134U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399051A (zh) * | 2013-07-31 | 2013-11-20 | 华南理工大学 | 基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置 |
| CN106290527A (zh) * | 2015-05-21 | 2017-01-04 | 北京化工大学 | 一种基于厌氧预处理与空气阴极mfc的水质毒性监测方法 |
-
2013
- 2013-07-31 CN CN201320463082.4U patent/CN203720134U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399051A (zh) * | 2013-07-31 | 2013-11-20 | 华南理工大学 | 基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置 |
| CN106290527A (zh) * | 2015-05-21 | 2017-01-04 | 北京化工大学 | 一种基于厌氧预处理与空气阴极mfc的水质毒性监测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103399051A (zh) | 基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置 | |
| Zhang et al. | A simple and rapid method for monitoring dissolved oxygen in water with a submersible microbial fuel cell (SBMFC) | |
| CN103578256B (zh) | 一种区域水环境重金属监测系统及运行方法 | |
| CN101924228B (zh) | 一种微生物燃料电池及其处理苯胺废水的方法 | |
| Hill et al. | Microbial electrochemical sensors for volatile fatty acid measurement in high strength wastewaters: A review | |
| CN106932455A (zh) | 重金属传感监测装置 | |
| CN109142491A (zh) | 基于连续流无膜生物阴极微生物燃料电池的水质监测方法 | |
| CN104122376A (zh) | 一种多参数水质分析仪 | |
| CN203535000U (zh) | 一种便携式水环境重金属检测仪 | |
| CN203720134U (zh) | 基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置 | |
| CN104049017A (zh) | 利用单室微生物燃料电池的产电信号检测土壤污染毒性的方法 | |
| Ling et al. | Electron transfer pathways and kinetic analysis of cathodic simultaneous nitrification and denitrification process in microbial fuel cell system | |
| CN104062345A (zh) | 基于微生物电解池技术在线测定生化需氧量的装置 | |
| Lin et al. | Realizing BOD detection of real wastewater by considering the bioelectrochemical degradability of organic pollutants in a bioelectrochemical system | |
| CN109001275A (zh) | 一种三电极电化学溶解氧传感器 | |
| ATE320601T1 (de) | Vorrichtung zur messung und detektion von acetylen gelösst in einem fluid | |
| Wang et al. | Design, optimization and application of a highly sensitive microbial electrolytic cell-based BOD biosensor | |
| Jadhav et al. | Advanced microbial fuel cell for biosensor applications to detect quality parameters of pollutants | |
| WO2003104765A3 (en) | TOTAL ORGANIC CARBON ANALYZER (TOC) | |
| CN103336045A (zh) | 有毒物质在线检测及自动报警装置及有毒物质的检测方法 | |
| Konur | Current state of research on algal bioelectricity and algal microbial fuel cells | |
| Zhang et al. | A revolving algae biofilm based photosynthetic microbial fuel cell for simultaneous energy recovery, pollutants removal, and algae production | |
| Chu et al. | Indicators of water biotoxicity obtained from turn-off microbial electrochemical sensors | |
| CN102692441B (zh) | 一种沉积物微生物还原活性检测装置及方法 | |
| CN113075280B (zh) | 一种生化需氧量bod与毒性一体化的检测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140716 Termination date: 20170731 |