本發(fā)明屬于新能源與環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型微生物燃料電池毒性傳感器，通過該方法可直接在線監(jiān)測水中的毒性物質(zhì)并根據(jù)抑制率的百分比來設(shè)計預(yù)警裝置。

背景技術(shù)：

水體中的重金屬主要來源于自然環(huán)境與人為活動，重金屬進入到環(huán)境中不斷進行著遷移轉(zhuǎn)換，造成嚴重的二次污染?？股?antibiotics)是指具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干預(yù)其他生活細胞發(fā)育功能的一類化學(xué)物質(zhì)，它可由微生物培養(yǎng)液和高等動植物的代謝物中提取或化學(xué)合成與半合成的化合物?？股氐臑E用廣泛使得生活廢水以及醫(yī)療、畜牧業(yè)廢水中的抗生素嚴重超標，且污水處理廠對抗生素的處理還未達標，出水水質(zhì)中對抗生素沒有嚴格的控制。

水環(huán)境中少量的重金屬一般無色無味，很難被察覺，且重金屬通過長期積累在生物體內(nèi)，不易被降解，威脅人類的生命健康。我國屬重金屬污染很嚴重的國家，已超標的重金屬主要有cu、zn、cr、cd、pb、hg、as等，主要來自工業(yè)污染如：電鍍、電池制造、制革、化肥工業(yè)。對人體的危害主要通過呼吸道吸入、口部攝取吞咽、和皮膚吸收進入人體、而cr、cd等非必須元素與cu、zn等必需元素競爭取代微生物細胞壁上的結(jié)合位點，與配基反應(yīng)，產(chǎn)生毒害作用。盡管重金屬的毒性早被大家熟知，但在全球工業(yè)化的大趨勢下水體重金屬污染仍然呈現(xiàn)出越來越嚴重的趨勢。

當前用于檢測水體中重金屬的方法較多，主要有原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、溶出伏安法、電感耦合等離子體法、生物酶抑制法，核酸適配體法、免疫分析法等。大多數(shù)方法由于其費用高、檢測耗時、樣品需要經(jīng)過預(yù)處理來減少信號的干擾等的限制而不能進行大型實驗設(shè)備的應(yīng)用。而近年來的檢測方法的改進也改善了其檢測條件，耗時短，處理樣品簡單，但檢測的重復(fù)性仍需要進一步提高。微生物燃料電池是一項非常具有發(fā)展前景的技術(shù)，它提供了一種產(chǎn)電與檢測同時進行的高效有機結(jié)合方法，主要原理方法是將含重金屬的廢水置于微生物燃料電池陽極室，在一定條件下，mfc產(chǎn)電量或電流與陽極室添加的可代謝底物的濃度或微生物數(shù)量成正比，同時，當重金屬進入陽極室時，會導(dǎo)致mfc產(chǎn)電下降，而電流的下降與有毒物質(zhì)存在一定的相關(guān)性，根據(jù)這一相關(guān)性可估算重金屬的濃度。實驗反應(yīng)器陽極采用相對厭氧環(huán)境，陰極采用曝氣處理，利用氧氣作為電子受體，氧氣廉價且資源豐富，以其作為電子受體的mfc產(chǎn)生的電流密度和輸出功率均十分有限。這是由于氧氣在水中溶解度有限，在電極上的氧化還原速率較慢等對mfc性能起到了一定限制作用。

近些年的研究顯示，重金屬如cu、zn等均能用單室mfc進行快速檢測，吳峰(2009)和liu(2014)等的研究充分證實了mfc作為重金屬傳感器檢測的可行性。由于mfc電壓和輸出功率有限，當每次檢測完后需重新配置廢水，使電壓升高，對于清洗不充分，電壓恢復(fù)效果不好的反應(yīng)器給予重新清洗或多次換水的方法。隨著高濃度重金屬廢水的檢測，外接循環(huán)管道容易被腐蝕甚至更容易堵塞，應(yīng)及時更換管道，檢查電路。因此，該傳感器讀運行環(huán)境要求較高，同時也限制了傳感器的擴大化實施與運用，對干傳感器需進一步的探尋和研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種優(yōu)化參數(shù)下，電壓達到穩(wěn)定后，重金屬濃度與反應(yīng)器產(chǎn)電量呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用的mfc基本單元均為典型雙室mfc，中間由陽離子交換膜隔開。陰極室循環(huán)自配營養(yǎng)液并曝氣，陽極室循環(huán)不同濃度待測重金屬廢水并封閉。該系統(tǒng)通過外電路電量的變化情況設(shè)計mfc傳感器的可行性與準確性。

微生物燃料電池毒性傳感器：反應(yīng)裝置為雙室mfc，中間由陽離子交換膜隔開；陰極室為營養(yǎng)液并曝氣，同時陰極室經(jīng)由蠕動泵與營養(yǎng)液槽連通并構(gòu)成循環(huán)管路；陽極室為重金屬廢水，陽極室經(jīng)由蠕動泵與重金屬廢水槽連通并構(gòu)成循環(huán)管路；陽極室的陽極材料采用碳刷，碳刷以碳纖維和鈦絲為原料擰制而成，陰極室的陰極材料采用碳氈；陰極和陽極通過外加電阻連接在一起，外加電阻的兩端連接電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

本發(fā)明所采用的反應(yīng)裝置的主體均由有機玻璃制成；使用自配水為產(chǎn)電菌提供營養(yǎng)基質(zhì)，陽極電極材料采用碳刷，碳刷以碳纖維和鈦絲為原料擰制而成，碳刷經(jīng)丙酮浸泡過夜，取出后置入馬弗爐450加熱30min；陰極材料采用碳氈，碳氈材料處理方法如下：1)將買到的碳氈剪成立方體后放入用去離子水，然后將碳氈浸沒在去離子水中浸泡24小時；將浸泡好的材料用去離子水洗3-5遍后向其中加入鹽酸，使液面能夠沒過材料，用保鮮膜封口后將錐形瓶放入壁櫥中讓材料浸泡24小時；4)將鹽酸浸泡好的材料用去離子水潤洗多遍，洗去其表面殘余的鹽酸，最后再在去離子水中浸泡24小時，然后用去離子水清洗材料；

組裝好反應(yīng)器之后，實驗數(shù)據(jù)使用采集卡連接電腦進行采集，每隔1min采集一次電壓。反應(yīng)器在室溫下運行，采用水浴鍋調(diào)節(jié)溫度。

運行方法，包括以下步驟：

建立多組雙室mfc反應(yīng)器，為防止某些反應(yīng)器運行不當，每組反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與材料相同。

1)自配培養(yǎng)液：陽極采用葡萄糖(1.0g/l)作為底物，其他組成如下：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸鹽緩沖溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)；陰極采用碳酸氫鈉(1.0g/l)為電子接受體，其他組成如下：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸鹽緩沖溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)；陰極和陽極自配培養(yǎng)液現(xiàn)配現(xiàn)用，調(diào)節(jié)ph為7.0左右，暗處可保存12h；

2)接種污泥并培養(yǎng)：啟動階段陰極均采用取自水廠好氧活性污泥接種，陽極采用厭氧活性污泥接種，自由沉降后取上清液，接種液采用對應(yīng)的陽/陰極自配培養(yǎng)液與對應(yīng)的好/厭氧污泥上清液按體積之比為6:4比例間歇培養(yǎng)，周期為2～3天，一周后電池即可產(chǎn)電，然后換為連續(xù)培養(yǎng)(使用蠕動泵外循環(huán)進水)，連續(xù)培養(yǎng)時培養(yǎng)液完全采用步驟(1)中的對應(yīng)的自配培養(yǎng)液進行培養(yǎng)；在培養(yǎng)過程中檢測外電阻對應(yīng)的電壓；

上述培養(yǎng)期間外接電阻在500～1500ω之間，優(yōu)選1000ω；外循環(huán)速率在0.2～1.5ml/min之間，優(yōu)選

1.0ml/min。

優(yōu)選：所使用微生物燃料電池循環(huán)周期在3～5天，單個mfc平穩(wěn)電壓(一般在200mv上下)即可進行檢測。

3)建立待測重金屬不同標準濃度與抑制率的關(guān)系曲線，在此檢測期間陰極循環(huán)污水不變，陽極循環(huán)液為含有不同標準濃度的重金屬(標準重金屬濃度)和葡萄糖溶液(1.0g/l)，進行循環(huán)檢測，并計算電量(式1-2)與抑制率(式1-3)，循環(huán)和外電壓與步驟(2)相同；

電量計算：

式中q-電量，c；-平均電流，ma；t1,t2-檢測時間的起始節(jié)點和終點)

抑制率計算：

式中r-抑制率，％；qs-穩(wěn)定電量，為步驟(2)未加入待測重金屬前檢測時間內(nèi)的電量，c；qd-抑制后電量，為加入檢測待測重金屬后檢測時間內(nèi)的電量，c；穩(wěn)定電量的檢測時間與抑制后電量的檢測時間相同，其中計算抑制率時，關(guān)于電量的計算中-平均電流，采用a＝u/r的計算方式進行計算。

4)然后將待測的重金屬污水加入到葡萄糖溶液(1.0g/l)中進行陽極循環(huán)，其他與步驟(3)條件相同，進行檢測抑制率，從而計算得到待測的重金屬污水的濃度。

實驗方法：

1)采用最大功率密度確定外電阻：極化曲線(polarizationcurve)是分析微生物燃料電池的基本工具，用來表示電池電壓與電流的關(guān)系，一般通過測定總電池的極化曲線來分析電池的極化現(xiàn)象。實驗通過恒電流法測定，外循環(huán)速率選取1ml/min，通過斷開外電阻使開路電壓達到最大再連接變阻箱，改變外電阻值(10000ω、5000ω、3000ω、2000ω、1000ω、800ω、500ω、300ω、200ω、100ω、80ω、50ω、30ω、10ω)每隔10min記錄穩(wěn)定電壓并計算最大功率密度。計算功率密度(powerdensity)采用面積功率密度(式1-1)，通過極化曲線斜率法得到電池的內(nèi)阻，以此來確定電池的穩(wěn)定性，實驗認為內(nèi)阻相近的電池比較穩(wěn)定。

計算公式：面積功率密度：pa＝u²/ra(式1-1)

式中pa-面積功率密度(w/m²)；u-外電阻電壓，r-外電阻，ω；a-單室有效面積cm²；

外接電阻和外循環(huán)速率馴化：外電阻選取500～1500ω進行實驗，并計算反應(yīng)器的最大功率密度(圖2)，結(jié)果顯示在外電阻為1000ω時的功率密度最大，確定外電阻為1000ω；

2)外循環(huán)速率選取不同水力停留時間(hrt)20、30、40、60、120min進行實驗(表1)，結(jié)果表明，hrt為60min時的功率密度最大，但是在20、30、40min時的內(nèi)阻相似，認為傳感器較穩(wěn)定，最終確定hrt為30min，換算為外循環(huán)速率為0.933ml/min。后期實驗中將外電阻確定為1000ω，外循環(huán)速率確定為0.933ml/min。

表1表示外循環(huán)速率的馴化

3)檢測時間與清洗時間的確定是mfc傳感器的主要指標，檢測時間太長，達不到快速檢測的目的，檢測時間太短，反應(yīng)不完全，信號不明顯，反應(yīng)不了傳感器的效應(yīng)。實驗通過在一定鉻濃度范圍內(nèi)可對傳感器檢測時間進行確定(圖3)，如選取鉻離子濃度0.3～0.8mg/l，初步檢測時間為40、60、80、100min。結(jié)果表明檢測時間為60min時(r²＝0.9580)電量與鉻濃度呈較好線性關(guān)系，確定檢測時間為60min。每次檢測完成之后，需對傳感器進行清洗，清洗液采用純葡萄糖溶液(1.0g/l)(現(xiàn)配現(xiàn)用)進行清洗，以保證下一次檢測時殘留重金屬離子的影響。每次清洗到電壓降至60mv左右認為清洗完成，此間的時間確定為清洗時間，由圖3知清洗時間約為10min。

5)檢測范圍的確定：觀察抑制率與重金屬濃度的關(guān)系可知，抑制率為正的時候確定為鉻離子的檢出限，抑制率趨于不變時認為陽極室微生物幾乎受到了抑制，此時的重金屬濃度確定為最大檢測濃度，由此可確定每種重金屬的檢測范圍。

6)線性方程的確定：使得檢測范圍內(nèi)的抑制率與重金屬濃度呈很好打線性關(guān)系，由此得到線性方程。根據(jù)這一線性方程能很好的運用到實際污水中對重金屬離子進行在線檢測，但值得注意的是，實際污水不同與實驗操作，實際抑制率會大大增加，所以應(yīng)當適當降低其檢測范圍。根據(jù)本發(fā)明可通過傳感器對重金屬進行在線檢測，并實時得到重金屬濃度，根據(jù)重金屬可對處理設(shè)備進行適當調(diào)修。雙室微生物燃料電池重金屬傳感器與以往的研究相比較，其檢測時間更短，檢測范圍更大，靈敏度更高。

本發(fā)明提供的mfc在線快速檢測重金屬方法，通過實驗表明，反應(yīng)器相比較下具有以下優(yōu)勢：1)傳感器能快速檢測出水中的重金屬濃度；2)傳感器能快速預(yù)警水質(zhì)毒性效應(yīng)，并通過電量的變化有效對污水處理設(shè)備進行改善；3)反應(yīng)器不僅能達到預(yù)警的目的，對低濃度的重金屬污染，在一定時間內(nèi)能被去除并快速恢復(fù)。

附圖說明

圖1表示傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖2表示外電阻的馴化。

圖3表示檢測時間優(yōu)化。

圖4表示鉻離子檢測與擬合。

圖5表示鎘離子檢測與擬合。

圖6表示銅離子檢測與擬合。

具體實施方式

下文中會通過三個實例具體解釋該發(fā)明。下文中通過應(yīng)用本發(fā)明的方法檢測cr⁶⁺、cd²⁺、cu²⁺兩種重金屬，并與之前相關(guān)研究進行比較。

反應(yīng)器構(gòu)型：本實驗所采用的反應(yīng)器主體均由有機玻璃制成，陽極室為圓筒狀(直徑3cm，長3cm)，有效體積(v)為28cm³，室頂有兩個直徑1cm的小孔，平時用膠塞堵住。陰極室構(gòu)造相同，單室有效面積(a)為7.065cm²。兩室中間用質(zhì)子交換膜(cmi-7000,membranesinternationalinc.,usa)隔開。使用自配水為產(chǎn)電菌提供營養(yǎng)基質(zhì)陽極電極材料采用碳刷，碳刷以碳纖維和鈦絲為原料擰制而成，刷頭長3cm，直徑3cm，鈦絲柄長3cm，經(jīng)丙酮浸泡過夜，取出后置入馬弗爐450加熱30min；陰極材料采用碳氈，碳氈材料處理方法如下：1)將買到的碳氈剪成邊長為0.5cm左右的立方體后放入250ml錐形瓶中待處理；2)向裝有碳氈的錐形瓶中加滿去離子水，洗去其表面的細小顆粒，重復(fù)操作，直到去離子水變清澈后再向錐形瓶中加入一定量的去離子水，保證去離子水能夠浸沒材料，最后將錐形瓶放入壁櫥中讓材料浸泡24小時后做下一步處理；3)將浸泡好的材料用去離子水洗3-5遍后向其中加入適量的稀鹽酸，使液面能夠沒過材料，用保鮮膜封口后將錐形瓶放入壁櫥中讓材料浸泡24小時后做下一步處理4)將浸泡好的材料用去離子水潤洗多遍，洗去其表面殘余的鹽酸，最后再向錐形瓶中加滿去離子水后將錐形瓶放入壁櫥中讓材料浸泡24小時后再用去離子水清洗材料后再加入少量去離子水浸沒材料放好備用。

組裝好反應(yīng)器之后，實驗數(shù)據(jù)使用采集卡(7660b，中泰研創(chuàng)，北京)連接電腦進行采集，每隔1min采集一次電壓。反應(yīng)器在室溫下運行，采用水浴鍋(dk-98-iia，泰斯特，天津)調(diào)節(jié)溫度。

培養(yǎng)方法：建立多組雙室mfc反應(yīng)器，為防止某些反應(yīng)器運行不當，每組反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與材料相同。

5)自配培養(yǎng)液：陽極采用葡萄糖(1.0g/l)作為底物，陰極采用碳酸氫鈉(1.0g/l)為電子接受體。其他組成成分相同：naac(1.64g/l)、nh4cl(1.5g/l)、kcl(0.001g/l)、cacl2(0.001g/l)、mgcl2(0.001g/l)、磷酸鹽緩沖溶液(na2hpo42.75g/l、kh2po43.0g/l)(自配污水現(xiàn)配現(xiàn)用，調(diào)節(jié)ph為7.0左右，暗處可保存12h)。

2)接種污泥：啟動階段陰極均采用取自水廠好氧活性污泥接種，陽極采用厭氧活性污泥接種(自由沉降后取上清液)。接種液采用陰/陽極自配水與好/厭氧污泥上清液體積之比為6:4比例間歇培養(yǎng)(每隔2～3天用注射器注滿極室)，一周后電池即可產(chǎn)電，換為連續(xù)培養(yǎng)(使用蠕動泵外循環(huán)進水)，此時的培養(yǎng)液完全采用(1)中的自配污水進行培養(yǎng)。

3)培養(yǎng)期間外接電阻在500～1500ω之間優(yōu)選1000ω；外循環(huán)速率在0.2～1.5ml/min之間優(yōu)選1.0ml/min。

實驗方法：1)最大功率密度：極化曲線(polarizationcurve)是分析微生物燃料電池的基本工具，用來表示電池電壓與電流的關(guān)系，一般通過測定總電池的極化曲線來分析電池的極化現(xiàn)象。實驗通過恒電流法測定，通過斷開外電阻使開路電壓達到最大再連接變阻箱，改變外電阻值(10000ω、5000ω、3000ω、2000ω、1000ω、800ω、500ω、300ω、200ω、100ω、80ω、50ω、30ω、10ω)每隔10min記錄穩(wěn)定電壓并計算最大功率密度。計算功率密度(powerdensity)采用面積功率密度(式1-1)，通過極化曲線斜率法得到電池的內(nèi)阻，以此來確定電池的穩(wěn)定性，實驗認為內(nèi)阻相近的電池比較穩(wěn)定。

6)外接電阻和外循環(huán)速率馴化：外電阻選取500～1500ω進行實驗，并計算反應(yīng)器的最大功率密度(圖2)，結(jié)果顯示在外電阻為1000ω時的功率密度最大，確定外電阻為1000ω；外循環(huán)速率選取不同水力停留時間(hrt)20、30、40、60、120min進行實驗(表1)，結(jié)果表明，hrt為60min時的功率密度最大，但是在20、30、40min時的內(nèi)阻相似，認為傳感器較穩(wěn)定，最終確定hrt為30min，換算為外循環(huán)速率為0.933ml/min。后期實驗中將外電阻確定為1000ω，外循環(huán)速率確定為0.933ml/min。

表1表示外循環(huán)速率的馴化

3)檢測時間與清洗時間的確定是mfc傳感器的主要指標，檢測時間太長，達不到快速檢測的目的，檢測時間太短，反應(yīng)不完全，信號不明顯，反應(yīng)不了傳感器的效應(yīng)。實驗通過在一定鉻濃度范圍內(nèi)可對傳感器檢測時間進行確定(圖3)，如選取鉻離子濃度0.3～0.8mg/l，初步檢測時間為40、60、80、100min。結(jié)果表明檢測時間為60min時(r²＝0.9580)電量與鉻濃度呈較好線性關(guān)系，確定檢測時間為60min。每次檢測完成之后，需對傳感器進行清洗，清洗液采用純葡萄糖溶液(1.0g/l)(現(xiàn)配現(xiàn)用)進行清洗，以保證下一次檢測時殘留重金屬離子的影響。每次清洗到電壓降至60mv左右認為清洗完成，此間的時間確定為清洗時間，由圖3知清洗時間約為10min。

4)重金屬檢測期間陰極循環(huán)污水不變，陽極循環(huán)含有不同重金屬濃度(標準重金屬濃度)和葡萄糖溶液(1.0g/l)進行循環(huán)檢測，并計算電量(式1-2)與抑制率(式1-3)。

5)檢測范圍的確定：觀察抑制率與重金屬濃度的關(guān)系可知，抑制率為正的時候確定為鉻離子的檢出限，抑制率趨于不變時認為陽極室微生物幾乎受到了抑制，此時的鉻濃度確定為最大檢測濃度，由此可確定每種重金屬的檢測范圍。

6)線性方程的確定：檢測范圍內(nèi)的抑制率與重金屬濃度呈很好打線性關(guān)系，由此得到線性方程。根據(jù)這一線性方程能很好的運用到實際污水中對鉻離子進行在線檢測，但值得注意的是，實際污水不同與實驗操作，實際抑制率會大大增加，所以應(yīng)當適當降低其檢測范圍。根據(jù)本發(fā)明可通過傳感器對重金屬進行在線檢測，并實時得到重金屬濃度，根據(jù)重金屬可對處理設(shè)備進行適當調(diào)修。雙室微生物燃料電池重金屬傳感器與以往的研究相比較，其檢測時間更短，檢測范圍更大，靈敏度更高。

計算公式：面積功率密度：pa＝u²/ra(式1-1)

式中pa-面積功率密度(w/m²)；r-外電阻，ω；a-單室有效面積cm²；

電量計算：式中q-電量，c；-平均電流，ma；t1,t2-時間間隔)

抑制率計算：

式中r-抑制率，％；qs-穩(wěn)定電量，c；qd-檢測時的電量，c；)

實例1水中cr⁶⁺的檢測

從鉻(vi)離子低濃度開始對傳感器進行沖擊，記錄其電壓的變化情況，并計算抑制率數(shù)值(圖4)。其中在檢測范圍(0.3～10mg/l)內(nèi)，重金屬濃度與抑制率呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，并得到線性方程：rcr＝5.879ccr+1.259(r²＝0.9597)。

實例2水中cd²⁺的檢測

建立多組雙室mfc反應(yīng)器，同理進行檢測實驗與擬合(圖5)。其中在檢測范圍(0.4～10mg/l)內(nèi)，重金屬濃度與抑制率呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，并得到線性方程：rcd＝8.529ccd-2.869(r²＝0.9795)。

實例3水中cu²⁺的檢測

建立多組雙室mfc反應(yīng)器，同理進行檢測實驗與擬合(圖6)。抑制率與銅離子濃度一直呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，但是在銅離子濃度為160mg/l時溶液中出現(xiàn)了銅的藍色沉淀，由此會降低溶液中的銅離子濃度，所以超過160mg/l的銅濃度將不能再使用該傳感器進行檢測。銅的檢測范圍為40～160mg/l，檢測范圍內(nèi)可得到線性方程：rcu＝0.368ccu-10.197(r²＝0.9441)。

傳感器重復(fù)性實驗：為了使傳感器能長期運行，重金屬傳感器要求穩(wěn)定準確。反應(yīng)器運行穩(wěn)定超過三個月后，選取8組檢測范圍內(nèi)的濃度進行檢測(表2)。根據(jù)各重金屬的線性方程計算檢測值，每個濃度檢測三次取平均值，并計算相對誤差。從表中看出，四種重金屬的相對誤差均小于11％，說明dmfc傳感器穩(wěn)定并能長期運行。

表2各重金屬的相對誤差

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