一种微生物燃料电池毒性传感器及运行方法与流程

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及一种新型微生物燃料电池毒性传感器，通过该方法可直接在线监测水中的毒性物质并根据抑制率的百分比来设计预警装置。

背景技术：

水体中的重金属主要来源于自然环境与人为活动，重金属进入到环境中不断进行着迁移转换，造成严重的二次污染。抗生素(antibiotics)是指具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，能干预其他生活细胞发育功能的一类化学物质，它可由微生物培养液和高等动植物的代谢物中提取或化学合成与半合成的化合物。抗生素的滥用广泛使得生活废水以及医疗、畜牧业废水中的抗生素严重超标，且污水处理厂对抗生素的处理还未达标，出水水质中对抗生素没有严格的控制。

水环境中少量的重金属一般无色无味，很难被察觉，且重金属通过长期积累在生物体内，不易被降解，威胁人类的生命健康。我国属重金属污染很严重的国家，已超标的重金属主要有cu、zn、cr、cd、pb、hg、as等，主要来自工业污染如：电镀、电池制造、制革、化肥工业。对人体的危害主要通过呼吸道吸入、口部摄取吞咽、和皮肤吸收进入人体、而cr、cd等非必须元素与cu、zn等必需元素竞争取代微生物细胞壁上的结合位点，与配基反应，产生毒害作用。尽管重金属的毒性早被大家熟知，但在全球工业化的大趋势下水体重金属污染仍然呈现出越来越严重的趋势。

当前用于检测水体中重金属的方法较多，主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、溶出伏安法、电感耦合等离子体法、生物酶抑制法，核酸适配体法、免疫分析法等。大多数方法由于其费用高、检测耗时、样品需要经过预处理来减少信号的干扰等的限制而不能进行大型实验设备的应用。而近年来的检测方法的改进也改善了其检测条件，耗时短，处理样品简单，但检测的重复性仍需要进一步提高。微生物燃料电池是一项非常具有发展前景的技术，它提供了一种产电与检测同时进行的高效有机结合方法，主要原理方法是将含重金属的废水置于微生物燃料电池阳极室，在一定条件下，mfc产电量或电流与阳极室添加的可代谢底物的浓度或微生物数量成正比，同时，当重金属进入阳极室时，会导致mfc产电下降，而电流的下降与有毒物质存在一定的相关性，根据这一相关性可估算重金属的浓度。实验反应器阳极采用相对厌氧环境，阴极采用曝气处理，利用氧气作为电子受体，氧气廉价且资源丰富，以其作为电子受体的mfc产生的电流密度和输出功率均十分有限。这是由于氧气在水中溶解度有限，在电极上的氧化还原速率较慢等对mfc性能起到了一定限制作用。

近些年的研究显示，重金属如cu、zn等均能用单室mfc进行快速检测，吴峰(2009)和liu(2014)等的研究充分证实了mfc作为重金属传感器检测的可行性。由于mfc电压和输出功率有限，当每次检测完后需重新配置废水，使电压升高，对于清洗不充分，电压恢复效果不好的反应器给予重新清洗或多次换水的方法。随着高浓度重金属废水的检测，外接循环管道容易被腐蚀甚至更容易堵塞，应及时更换管道，检查电路。因此，该传感器读运行环境要求较高，同时也限制了传感器的扩大化实施与运用，对干传感器需进一步的探寻和研究。

技术实现要素：

本发明提供一种优化参数下，电压达到稳定后，重金属浓度与反应器产电量呈现很好的线性关系。本系统采用的mfc基本单元均为典型双室mfc，中间由阳离子交换膜隔开。阴极室循环自配营养液并曝气，阳极室循环不同浓度待测重金属废水并封闭。该系统通过外电路电量的变化情况设计mfc传感器的可行性与准确性。

微生物燃料电池毒性传感器：反应装置为双室mfc，中间由阳离子交换膜隔开；阴极室为营养液并曝气，同时阴极室经由蠕动泵与营养液槽连通并构成循环管路；阳极室为重金属废水，阳极室经由蠕动泵与重金属废水槽连通并构成循环管路；阳极室的阳极材料采用碳刷，碳刷以碳纤维和钛丝为原料拧制而成，阴极室的阴极材料采用碳毡；阴极和阳极通过外加电阻连接在一起，外加电阻的两端连接电压数据采集系统；

本发明所采用的反应装置的主体均由有机玻璃制成；使用自配水为产电菌提供营养基质，阳极电极材料采用碳刷，碳刷以碳纤维和钛丝为原料拧制而成，碳刷经丙酮浸泡过夜，取出后置入马弗炉450加热30min；阴极材料采用碳毡，碳毡材料处理方法如下：1)将买到的碳毡剪成立方体后放入用去离子水，然后将碳毡浸没在去离子水中浸泡24小时；将浸泡好的材料用去离子水洗3-5遍后向其中加入盐酸，使液面能够没过材料，用保鲜膜封口后将锥形瓶放入壁橱中让材料浸泡24小时；4)将盐酸浸泡好的材料用去离子水润洗多遍，洗去其表面残余的盐酸，最后再在去离子水中浸泡24小时，然后用去离子水清洗材料；

组装好反应器之后，实验数据使用采集卡连接电脑进行采集，每隔1min采集一次电压。反应器在室温下运行，采用水浴锅调节温度。

运行方法，包括以下步骤：

建立多组双室mfc反应器，为防止某些反应器运行不当，每组反应器结构与材料相同。

1)自配培养液：阳极采用葡萄糖(1.0g/l)作为底物，其他组成如下：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸盐缓冲溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)；阴极采用碳酸氢钠(1.0g/l)为电子接受体，其他组成如下：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸盐缓冲溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)；阴极和阳极自配培养液现配现用，调节ph为7.0左右，暗处可保存12h；

2)接种污泥并培养：启动阶段阴极均采用取自水厂好氧活性污泥接种，阳极采用厌氧活性污泥接种，自由沉降后取上清液，接种液采用对应的阳/阴极自配培养液与对应的好/厌氧污泥上清液按体积之比为6:4比例间歇培养，周期为2～3天，一周后电池即可产电，然后换为连续培养(使用蠕动泵外循环进水)，连续培养时培养液完全采用步骤(1)中的对应的自配培养液进行培养；在培养过程中检测外电阻对应的电压；

上述培养期间外接电阻在500～1500ω之间，优选1000ω；外循环速率在0.2～1.5ml/min之间，优选

1.0ml/min。

优选：所使用微生物燃料电池循环周期在3～5天，单个mfc平稳电压(一般在200mv上下)即可进行检测。

3)建立待测重金属不同标准浓度与抑制率的关系曲线，在此检测期间阴极循环污水不变，阳极循环液为含有不同标准浓度的重金属(标准重金属浓度)和葡萄糖溶液(1.0g/l)，进行循环检测，并计算电量(式1-2)与抑制率(式1-3)，循环和外电压与步骤(2)相同；

电量计算：

式中q-电量，c；-平均电流，ma；t1,t2-检测时间的起始节点和终点)

抑制率计算：

式中r-抑制率，％；qs-稳定电量，为步骤(2)未加入待测重金属前检测时间内的电量，c；qd-抑制后电量，为加入检测待测重金属后检测时间内的电量，c；稳定电量的检测时间与抑制后电量的检测时间相同，其中计算抑制率时，关于电量的计算中-平均电流，采用a＝u/r的计算方式进行计算。

4)然后将待测的重金属污水加入到葡萄糖溶液(1.0g/l)中进行阳极循环，其他与步骤(3)条件相同，进行检测抑制率，从而计算得到待测的重金属污水的浓度。

实验方法：

1)采用最大功率密度确定外电阻：极化曲线(polarizationcurve)是分析微生物燃料电池的基本工具，用来表示电池电压与电流的关系，一般通过测定总电池的极化曲线来分析电池的极化现象。实验通过恒电流法测定，外循环速率选取1ml/min，通过断开外电阻使开路电压达到最大再连接变阻箱，改变外电阻值(10000ω、5000ω、3000ω、2000ω、1000ω、800ω、500ω、300ω、200ω、100ω、80ω、50ω、30ω、10ω)每隔10min记录稳定电压并计算最大功率密度。计算功率密度(powerdensity)采用面积功率密度(式1-1)，通过极化曲线斜率法得到电池的内阻，以此来确定电池的稳定性，实验认为内阻相近的电池比较稳定。

计算公式：面积功率密度：pa＝u²/ra(式1-1)

式中pa-面积功率密度(w/m²)；u-外电阻电压，r-外电阻，ω；a-单室有效面积cm²；

外接电阻和外循环速率驯化：外电阻选取500～1500ω进行实验，并计算反应器的最大功率密度(图2)，结果显示在外电阻为1000ω时的功率密度最大，确定外电阻为1000ω；

2)外循环速率选取不同水力停留时间(hrt)20、30、40、60、120min进行实验(表1)，结果表明，hrt为60min时的功率密度最大，但是在20、30、40min时的内阻相似，认为传感器较稳定，最终确定hrt为30min，换算为外循环速率为0.933ml/min。后期实验中将外电阻确定为1000ω，外循环速率确定为0.933ml/min。

表1表示外循环速率的驯化

3)检测时间与清洗时间的确定是mfc传感器的主要指标，检测时间太长，达不到快速检测的目的，检测时间太短，反应不完全，信号不明显，反应不了传感器的效应。实验通过在一定铬浓度范围内可对传感器检测时间进行确定(图3)，如选取铬离子浓度0.3～0.8mg/l，初步检测时间为40、60、80、100min。结果表明检测时间为60min时(r²＝0.9580)电量与铬浓度呈较好线性关系，确定检测时间为60min。每次检测完成之后，需对传感器进行清洗，清洗液采用纯葡萄糖溶液(1.0g/l)(现配现用)进行清洗，以保证下一次检测时残留重金属离子的影响。每次清洗到电压降至60mv左右认为清洗完成，此间的时间确定为清洗时间，由图3知清洗时间约为10min。

5)检测范围的确定：观察抑制率与重金属浓度的关系可知，抑制率为正的时候确定为铬离子的检出限，抑制率趋于不变时认为阳极室微生物几乎受到了抑制，此时的重金属浓度确定为最大检测浓度，由此可确定每种重金属的检测范围。

6)线性方程的确定：使得检测范围内的抑制率与重金属浓度呈很好打线性关系，由此得到线性方程。根据这一线性方程能很好的运用到实际污水中对重金属离子进行在线检测，但值得注意的是，实际污水不同与实验操作，实际抑制率会大大增加，所以应当适当降低其检测范围。根据本发明可通过传感器对重金属进行在线检测，并实时得到重金属浓度，根据重金属可对处理设备进行适当调修。双室微生物燃料电池重金属传感器与以往的研究相比较，其检测时间更短，检测范围更大，灵敏度更高。

本发明提供的mfc在线快速检测重金属方法，通过实验表明，反应器相比较下具有以下优势：1)传感器能快速检测出水中的重金属浓度；2)传感器能快速预警水质毒性效应，并通过电量的变化有效对污水处理设备进行改善；3)反应器不仅能达到预警的目的，对低浓度的重金属污染，在一定时间内能被去除并快速恢复。

附图说明

图1表示传感器的结构。

图2表示外电阻的驯化。

图3表示检测时间优化。

图4表示铬离子检测与拟合。

图5表示镉离子检测与拟合。

图6表示铜离子检测与拟合。

具体实施方式

下文中会通过三个实例具体解释该发明。下文中通过应用本发明的方法检测cr⁶⁺、cd²⁺、cu²⁺两种重金属，并与之前相关研究进行比较。

反应器构型：本实验所采用的反应器主体均由有机玻璃制成，阳极室为圆筒状(直径3cm，长3cm)，有效体积(v)为28cm³，室顶有两个直径1cm的小孔，平时用胶塞堵住。阴极室构造相同，单室有效面积(a)为7.065cm²。两室中间用质子交换膜(cmi-7000,membranesinternationalinc.,usa)隔开。使用自配水为产电菌提供营养基质阳极电极材料采用碳刷，碳刷以碳纤维和钛丝为原料拧制而成，刷头长3cm，直径3cm，钛丝柄长3cm，经丙酮浸泡过夜，取出后置入马弗炉450加热30min；阴极材料采用碳毡，碳毡材料处理方法如下：1)将买到的碳毡剪成边长为0.5cm左右的立方体后放入250ml锥形瓶中待处理；2)向装有碳毡的锥形瓶中加满去离子水，洗去其表面的细小颗粒，重复操作，直到去离子水变清澈后再向锥形瓶中加入一定量的去离子水，保证去离子水能够浸没材料，最后将锥形瓶放入壁橱中让材料浸泡24小时后做下一步处理；3)将浸泡好的材料用去离子水洗3-5遍后向其中加入适量的稀盐酸，使液面能够没过材料，用保鲜膜封口后将锥形瓶放入壁橱中让材料浸泡24小时后做下一步处理4)将浸泡好的材料用去离子水润洗多遍，洗去其表面残余的盐酸，最后再向锥形瓶中加满去离子水后将锥形瓶放入壁橱中让材料浸泡24小时后再用去离子水清洗材料后再加入少量去离子水浸没材料放好备用。

组装好反应器之后，实验数据使用采集卡(7660b，中泰研创，北京)连接电脑进行采集，每隔1min采集一次电压。反应器在室温下运行，采用水浴锅(dk-98-iia，泰斯特，天津)调节温度。

培养方法：建立多组双室mfc反应器，为防止某些反应器运行不当，每组反应器结构与材料相同。

5)自配培养液：阳极采用葡萄糖(1.0g/l)作为底物，阴极采用碳酸氢钠(1.0g/l)为电子接受体。其他组成成分相同：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸盐缓冲溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)(自配污水现配现用，调节ph为7.0左右，暗处可保存12h)。

2)接种污泥：启动阶段阴极均采用取自水厂好氧活性污泥接种，阳极采用厌氧活性污泥接种(自由沉降后取上清液)。接种液采用阴/阳极自配水与好/厌氧污泥上清液体积之比为6:4比例间歇培养(每隔2～3天用注射器注满极室)，一周后电池即可产电，换为连续培养(使用蠕动泵外循环进水)，此时的培养液完全采用(1)中的自配污水进行培养。

3)培养期间外接电阻在500～1500ω之间优选1000ω；外循环速率在0.2～1.5ml/min之间优选1.0ml/min。

实验方法：1)最大功率密度：极化曲线(polarizationcurve)是分析微生物燃料电池的基本工具，用来表示电池电压与电流的关系，一般通过测定总电池的极化曲线来分析电池的极化现象。实验通过恒电流法测定，通过断开外电阻使开路电压达到最大再连接变阻箱，改变外电阻值(10000ω、5000ω、3000ω、2000ω、1000ω、800ω、500ω、300ω、200ω、100ω、80ω、50ω、30ω、10ω)每隔10min记录稳定电压并计算最大功率密度。计算功率密度(powerdensity)采用面积功率密度(式1-1)，通过极化曲线斜率法得到电池的内阻，以此来确定电池的稳定性，实验认为内阻相近的电池比较稳定。

6)外接电阻和外循环速率驯化：外电阻选取500～1500ω进行实验，并计算反应器的最大功率密度(图2)，结果显示在外电阻为1000ω时的功率密度最大，确定外电阻为1000ω；外循环速率选取不同水力停留时间(hrt)20、30、40、60、120min进行实验(表1)，结果表明，hrt为60min时的功率密度最大，但是在20、30、40min时的内阻相似，认为传感器较稳定，最终确定hrt为30min，换算为外循环速率为0.933ml/min。后期实验中将外电阻确定为1000ω，外循环速率确定为0.933ml/min。

表1表示外循环速率的驯化

3)检测时间与清洗时间的确定是mfc传感器的主要指标，检测时间太长，达不到快速检测的目的，检测时间太短，反应不完全，信号不明显，反应不了传感器的效应。实验通过在一定铬浓度范围内可对传感器检测时间进行确定(图3)，如选取铬离子浓度0.3～0.8mg/l，初步检测时间为40、60、80、100min。结果表明检测时间为60min时(r²＝0.9580)电量与铬浓度呈较好线性关系，确定检测时间为60min。每次检测完成之后，需对传感器进行清洗，清洗液采用纯葡萄糖溶液(1.0g/l)(现配现用)进行清洗，以保证下一次检测时残留重金属离子的影响。每次清洗到电压降至60mv左右认为清洗完成，此间的时间确定为清洗时间，由图3知清洗时间约为10min。

4)重金属检测期间阴极循环污水不变，阳极循环含有不同重金属浓度(标准重金属浓度)和葡萄糖溶液(1.0g/l)进行循环检测，并计算电量(式1-2)与抑制率(式1-3)。

5)检测范围的确定：观察抑制率与重金属浓度的关系可知，抑制率为正的时候确定为铬离子的检出限，抑制率趋于不变时认为阳极室微生物几乎受到了抑制，此时的铬浓度确定为最大检测浓度，由此可确定每种重金属的检测范围。

6)线性方程的确定：检测范围内的抑制率与重金属浓度呈很好打线性关系，由此得到线性方程。根据这一线性方程能很好的运用到实际污水中对铬离子进行在线检测，但值得注意的是，实际污水不同与实验操作，实际抑制率会大大增加，所以应当适当降低其检测范围。根据本发明可通过传感器对重金属进行在线检测，并实时得到重金属浓度，根据重金属可对处理设备进行适当调修。双室微生物燃料电池重金属传感器与以往的研究相比较，其检测时间更短，检测范围更大，灵敏度更高。

计算公式：面积功率密度：pa＝u²/ra(式1-1)

式中pa-面积功率密度(w/m²)；r-外电阻，ω；a-单室有效面积cm²；

电量计算：式中q-电量，c；-平均电流，ma；t1,t2-时间间隔)

抑制率计算：

式中r-抑制率，％；qs-稳定电量，c；qd-检测时的电量，c；)

实例1水中cr⁶⁺的检测

从铬(vi)离子低浓度开始对传感器进行冲击，记录其电压的变化情况，并计算抑制率数值(图4)。其中在检测范围(0.3～10mg/l)内，重金属浓度与抑制率呈现很好的线性关系，并得到线性方程：rcr＝5.879ccr+1.259(r²＝0.9597)。

实例2水中cd²⁺的检测

建立多组双室mfc反应器，同理进行检测实验与拟合(图5)。其中在检测范围(0.4～10mg/l)内，重金属浓度与抑制率呈现很好的线性关系，并得到线性方程：rcd＝8.529ccd-2.869(r²＝0.9795)。

实例3水中cu²⁺的检测

建立多组双室mfc反应器，同理进行检测实验与拟合(图6)。抑制率与铜离子浓度一直呈现很好的线性关系，但是在铜离子浓度为160mg/l时溶液中出现了铜的蓝色沉淀，由此会降低溶液中的铜离子浓度，所以超过160mg/l的铜浓度将不能再使用该传感器进行检测。铜的检测范围为40～160mg/l，检测范围内可得到线性方程：rcu＝0.368ccu-10.197(r²＝0.9441)。

传感器重复性实验：为了使传感器能长期运行，重金属传感器要求稳定准确。反应器运行稳定超过三个月后，选取8组检测范围内的浓度进行检测(表2)。根据各重金属的线性方程计算检测值，每个浓度检测三次取平均值，并计算相对误差。从表中看出，四种重金属的相对误差均小于11％，说明dmfc传感器稳定并能长期运行。

表2各重金属的相对误差

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