[发明专利]生物电化学系统用电极板可靠性的检测方法

说明书

本发明提供了一种生物电化学系统用电极板可靠性的检测方法，包括电路可靠性检测以及运行可靠性检测，其中，电路可靠性检测包括等电压面检测、电阻及导电率检测、电极板尺寸检测以及电路绝缘性检测，所述运行可靠性检测包括绝缘层与电极板透性检测以及微生物附着性检测，本发明为BES用电极板的可靠性提供一种检测方法，将电极板性能好坏进行量化，首次提出等电压面检测方法和评价指标并首次提出封闭薄层透性绝缘结构的绝缘性和透性检测方法和评价指标，为电极板的可靠性提供了一种切实可行的检测方法，实用性强，有利于生物电化学系统的产业化推广。

技术领域

本发明涉生物电化学领域，具体地，涉及一种生物电化学系统用电极板可靠性的检测方法。

背景技术

能源短缺和环境污染仍是当今世界所面临的棘手问题，开发可再生能源、实现废污的资源化利用，才能促进社会与环境的可持续发展。人们研究发现生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems,BES)是一种降解废弃物，同时回收生物质能和其它一些具有附加值化学产品的系统。其基本原理是以电强化微生物的脱氢酶体系的氧化反应释电子和还原酶体系的还原反应得电子的代谢过程。BES具有同步实现能源回收、资源回收、污水处理等多重功能，是一项应用前景广阔的新技术。在阳极，产电微生物以阳极为电子受体，氧化降解有机质，维持生长代谢。在该过程中，释放的质子和电子，被传递至阴极，并在阴极完成还原反应。阳极、阴极电势差即为电路端电压，或输出电压，或输入电压。在降解有机物过程中，与传统的物理化学法、生物法相比，BES具有反应路径短、反应条件可控、副反应弱等特点。

最早的BES以微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)的概念出现。MFC最初的雏形，见于1910年英国达拉馍大学的植物学家Potter教授的研究发现，他利用大肠杆菌(E.coli)作为微生物催化剂在半电池的Pt电极上将酵母氧化，获得输出电流。之后，以产电为特色的MFC装置发展起来，产电功率密度从最初0.01mW/m²的功率密度上升至现今4000mW/m²，提高了近5个数量级。目前，尽管利用MFC产电有着无可比拟的优势，但MFC装置仍是实验室规模级别，原因在于双室内阳极室和阴极室中间有质子交换膜的存在，导致MFC的内阻大，输出功率低，单室内阴极的氧气容易透过电极进入阳极室影响厌氧微生物活性，降低电子和能量回收率，影响库伦效率和功率输出。

2005年，美国宾夕法尼亚州立大学的Burce Logan教授拓展了MFC的应用范围，发现通过生物阳极从有机物中回收的能量可以内在驱动阴极的析氢反应，从而大大降低了电解制氢的能耗，这项技术一开始被称作生物电化学辅助微生物反应器，后来改为微生物电解池(Microbial Elecotrolysis Cell,MEC)。至此，BES以电解产氢为主的MEC发展起来。目前，MEC产氢也仍处于实验室研究阶段，虽然MEC产氢纯度高、能量利用率高等优势，但是MEC中需要各种膜作为减少损氢的屏障，发酵菌的大量生产造成底物损失、有机酸的积累致使系统pH降低，影响产电菌的生产，导致产氢率下降等。

另外，BES与现代传感技术相结合，开发出以环境监测为主的生物电化学传感器(Environmental Monitoring Bioelectrochemical Sensor,EMBES)，应用现场快速监测和连续在线分析，成为近年来研究的热点。EMBES起始于1975年的化学修饰电极，它能够选择性地进行人们所期盼的反应，并提供更快的电子转移速率，推动了电化学分析化学的发展。EMBES是指以生物材料(如酶、抗原、抗体、激素等)或者生物本身(细胞、细胞器、组织等)作为敏感元件，电极(固体电极、离子选择电极等)作为换能元件，以电流和电势信号响应输出的传感器。一方面，用电极充当电子的给予体或者接受体，可以模拟生物体系电子传递机理和代谢过程，测定热力学和动力学参数；另一方面，利用生物反应的特异性和电分析方法的灵敏性以及实时检测性，制备生物电化学传感器，为生物物质的检测提供强有力的手段。