[发明专利]一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种硝酸盐浓度监测装置，特别涉及一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器。

背景技术

我国水体中硝酸盐污染十分严重，水体中过高的硝酸盐浓度会导致一系列的健康与环境风险。因此发展高效、经济的水体中硝酸盐的监控设备已是当务之急。现有的监测方法主要基于分光光度法和电极法。分光光度法是一种标准的监测方法，但是存在设备价格高，检测过程繁琐等问题。电极法监测精度低、易受温度、离子等的干扰。因此，急需开发一种价格低廉、实时监测的监测设备。

发明内容

发明目的：针对现有硝酸盐浓度监测设备存在的精度低、检测过程繁琐等问题，本发明提供一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器。

技术方案：本发明所述的一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器，包括进水槽以及用于根据输出电流强弱来监测进水中硝酸盐浓度的生物燃料电池，该生物燃料电池包括阴极室以及与进水槽连通的阳极室，该阳极室与阴极室之间通过离子交换膜分隔开，阴极室内设有阴电极，阳极室内设有阳电极，且阳电极表面负载产电微生物；当含有硝酸盐的水进入生物燃料电池的阳极室内时，阳极产生的电子被水中的硝酸根离子消耗，使生物燃料电池的输出电流减弱。

其中，阳电极表面负载的产电微生物可为单一微生物或多种微生物的组合。

优选的，产电微生物为产电细菌，如Shewanella oneidensis。

上述进水槽与阳极室之间可设有用于去除进水中微生物的无菌滤膜，防止阳极室受到微生物的污染。无菌滤膜的孔径最好小于等于0.2μm。

较优的，阳极室中加入营养盐或其它营养物质，以利于微生物生长；进一步的，阴极室中添加缓冲溶液，用于吸收阳极产生的H⁺和电子。

发明原理：本发明中的硝酸盐浓度传感器是在生物燃料电池的基础上，在阳极上负载产电微生物，通过电流强弱来判断水中硝酸盐含量的变化；具体而言，含有硝酸盐的水经由进水槽进入阳极室，水中的硝酸根离子作为电子受体被还原成氨，在这个过程中消耗了电子，导致输出电流减弱。因此，可以根据输出电流的变化判断水中的硝酸盐的浓度的变化。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于，本发明的硝酸盐浓度传感器基于生物燃料电池和产电细菌的使用，通过生物燃料电池的电流强度变化能够快速、实时、精确获知反应水中硝酸盐的浓度，而且，装置整体结构简单、成本低，是一种优异的生物传感器。

附图说明

图1为本发明的一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器的原理示意图；

图2为本发明的硝酸盐浓度传感器采用水平布水方式时的结构布局图，图中箭头方向表示进水方向；

图3为实施例1中水温25℃时测得的进水中硝酸盐浓度与电流的相关曲线；

图4为实施例2中水温15℃时测得的进水中硝酸盐浓度与电流的相关曲线；

图5为实施例3中水温5℃时测得的进水中硝酸盐浓度与电流的相关曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1，本发明的基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器主要由三部分组成：阴极室1、阳极室2和进水槽3，阴极室1与阳极室2之间通过离子交换膜6分隔开，进水槽3与阳极室2连通。

上述三大组件的结构，如阴极室1、阳极室2、进水槽3的形状、布置方式等不限于图1中的形式，也可为其他任意结构，比如图2，只要能实现本发明的功能均可；在上述三大组件的基础上，也可增加一些附属配件，如温控、营养物质添加设备等。

阴极室1和阳极室2内分别设置阴电极4和阳电极5，且阳电极5表面负载产电微生物，阴电极4和阳电极5之间通过电流检测设备连接，如电流表，构成生物燃料电池。阳电极5表面负载的微生物为高效的产电微生物，可为单一微生物或多种微生物的组合；如可为产电细菌Shewanella oneidensis。

阳极室2中可加入营养盐或其它营养物质，以利于微生物生长；阴极室1中可添加缓冲溶液，用于吸收阳极产生的H⁺和电子。

进水槽3与阳极室2之间可通过无菌滤膜7连通，无菌滤膜7可去除进水中的微生物，防止阳极室2受到微生物的污染。无菌滤膜7的孔径一般≤0.2μm。