[发明专利]一种微生物燃料电池及其制备和在水质预警中的应用

说明书

本发明提供了一种微生物燃料电池，包括：阳极室，在所述阳极室上连通有阳极进水管道和阳极出水管道；设置于所述阳极进水管道内的生物阳极；相对于所述阳极室设置的阴极室，在所述阴极室上连通有阴极进水管道和阴极出水管道；设置于所述阴极进水管道内的生物阴极；以及设置于所述阳极室和所述阴极室之间的离子交换膜；并提供了上述微生物燃料电池的制备方法、该微生物燃料电池用于水质预警装置以及水质预警方法。通过根据不同的水质选择以生物阴极或生物阳极作为敏感单元，满足了不同的水质预警需要，极大提高了微生物燃料电池的适用范围。

技术领域

本发明涉及水质预警领域，具体涉及一种微生物燃料电池及其制备和在水质预警中的应用。

背景技术

水质监测对于保障环境安全和人体健康都十分重要。基于生物传感器的水质预警装置(或水质监测装置)因为可以监测水体综合毒性，并反应水体中生物可获得性的毒性物质浓度而受到广泛关注。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)的工作依赖于阳极氧化反应及阴极还原反应，而阳极氧化反应及阴极还原反应都可以将微生物用作催化剂。基于微生物燃料电池原理的水质预警装置以生物电极作为敏感单元，并以输出的电流信号变化作为水体中毒性物质有无及浓度大小的指标，有利于连续在线预警。

现有的基于微生物燃料电池原理的水质预警装置中，均以生物阳极作为敏感单元。然而单单基于生物阳极为敏感单元的微生物燃料电池水质预警装置，其待测水体要求厌氧条件，水体中需要较高浓度的背景有机物，以维持生物阳极活性并输出稳定的电流基线。如果水体中氧浓度较高，其灵敏度会变低；如果水体中缺乏背景有机物，则需要外部添加，从而增加了运行成本，尤其是当以液体混合的形式添加有机物时，其稀释作用还会影响装置的灵敏度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种微生物燃料电池及其制备和在水质预警中的应用，通过根据不同的水质选择以生物阴极或生物阳极作为敏感单元，能够满足不同的水质预警需要，极大的提高了微生物燃料电池的适用范围。

本发明一方面提供一种微生物燃料电池，包括：

阳极室，在所述阳极室上连通有阳极进水管道和阳极出水管道；

设置于所述阳极进水管道内的生物阳极；

相对于所述阳极室设置的阴极室，在所述阴极室上连通有阴极进水管道和阴极出水管道；

设置于所述阴极进水管道内的生物阴极；以及

设置于所述阳极室和所述阴极室之间的离子交换膜。

本申请的发明人在研究中发现，通过构造具有生物阳极和生物阴极的微生物燃料电池，可以依据水质的氧含量和有机物含量选择以生物阴极或生物阳极作为敏感单元来进行水质预警，这样就克服了现有技术中以生物阳极为敏感单元的微生物燃料电池仅能适用低氧且有机物含量高的水体的缺陷。进一步的，通过将所述生物阳极和生物阴极分别设置于阴极进水管道和阳极进水管道内，相较于将生物阳极和生物阴极设置于阳极室和阴极室内，流入的液体能够更充分地穿透流过生物阴极和生物阳极。

根据本发明，所述离子交换膜可以是阳离子交换膜或阴离子交换膜，用于分隔所述阳极室与所述阴极室。在本发明中，采用阳离子交换膜。

根据本发明，生物阳极用于为生物阴极提供电子初始来源，生物阴极用于接收电子，从而完成电路连通，无需外加电源。

根据本发明，引电材料可以通过包括捆绑或压紧的方法与生物阳极、生物阴极或电路中的其他部件相连，所述引电材料可以是较惰性的金属，优选为丝状、环片状或者螺丝状的金属钛或金。本发明中采用的引电材料为环状钛片。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述阳极进水管道与所述阳极室的侧壁或底部连通，阳极出水管道与所述阳极室的顶部连通；所述阴极进水管道与所述阴极室的侧壁或底部连通，所述阴极出水管道与所述阴极室的顶部连通。