一种微生物燃料电池以及检测氧化性重金属离子的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】—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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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:
[0004](I)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；
[0005](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；
[0006](3)外电路电子传输电子经由外电路到达阴极；
[0007](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；
[0008](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。
[0009]发光二极管LED的发光原理:
[0010]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。
[0011]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】
[0012]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。
[0013]—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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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:
[0020]I)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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]作为改进，所述待测溶液的PH为I?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。
[0028]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IOOmW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。
[0029]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。
[0030]电容充电:
[0031]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。
[0032]电容的充电过程中电容两端的电压变化:
【权利要求】
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； 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。
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: 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。
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I?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IOOmW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。
【文档编号】H01M4/86GK103746121SQ201310682079
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】杨青, 鲁航文, 李中坚, 周雅旋, 沈晓丹, 包晗, 刘旭 申请人:浙江大学