【正文】 產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰極，與氧反應(yīng)生成水。其陽極和陰極反應(yīng)式如下所示： 微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)為陰極室、陽極室、中間由隔膜分開。根據(jù)電池陰極室結(jié)構(gòu)不同，微生物燃料電池可分為單室（空氣陰極）和雙室型（陰極曝氣）。雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)較復雜，且需要曝氣以提供陰極氧還原反應(yīng)所需的氧氣，而單室微生物燃料電池采用空氣被動曝氧，無需采用氣泵通氣，它結(jié)構(gòu)簡單，操作與維護方便，運行穩(wěn)定。傳統(tǒng)的微生物燃料電池型BOD傳感器均為雙室型。韓國科學家Kim等[2]（2003）采用無介體雙室微生物燃料電池構(gòu)建了BOD傳感器，大大延長了傳感器的使用壽命（5年以上），檢測樣品廢水結(jié)果顯示標準差為177。3%~177。12%。但我仔細分析后認為，Kim教授研制的微生物燃料電池存在以下三個缺陷：（1）雙室型結(jié)構(gòu)，陰極需要曝氣，結(jié)構(gòu)較為復雜，操作與維護不便； （2）設(shè)計理念源于質(zhì)子交換膜燃料電池（PE微生物燃料電池），采用昂貴的質(zhì)子交換膜作為隔膜，目前質(zhì)子交換膜依賴進口，且價格昂貴（美國杜邦Nafion，每平方米600—800美元，折合人民幣約5000元），實際應(yīng)用顯然不經(jīng)濟；（3）采用金屬鉑（Pt）作為陰極氧還原催化劑，Pt價格昂貴，也限制了微生物燃料電池型傳感器的推廣應(yīng)用。針對以上問題，我想：能否采用單室型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙室型，能否采用成本較低的、國產(chǎn)化的膜材質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，能否采用廉價的非貴金屬催化劑代替Pt呢？我與輔導老師進行協(xié)商，上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)我的設(shè)想是值得嘗試的。經(jīng)過前期的調(diào)研以及與輔導老師協(xié)商，我確定了如下方案：以廉價電解MnO2（湘潭電解錳廠）為陰極催化劑，以普通陽離子交換膜代替質(zhì)子交換膜，構(gòu)建單室微生物燃料電池型BOD傳感器，在分析舊的檢測方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化與確定了檢測條件，并對實際水樣進行BOD檢測，降低BOD傳感器的構(gòu)建成本，簡化了操作，提高了實用性。表1 本研究提供的新型BOD生物傳感器與傳統(tǒng)BOD傳感器的材料價格比較表BOD傳感器構(gòu)型催化劑交換膜名稱價格（元/克）名稱價格（元/ m2）本研究單室MnO2離子交換膜35傳統(tǒng)型雙室鉑400質(zhì)子交換膜50002．研究背景與研究中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)目前，國內(nèi)外BOD的主要測定方法有：五日生化需氧量法（5天培養(yǎng)法）、庫侖計法、瓦勃呼吸法等。五日生化需氧量法（BOD5）是我國現(xiàn)行的BOD標準測定法，該法由于檢測成本低、結(jié)果穩(wěn)定、便于操作的原因，一直被廣泛使用。但該檢測法也存在一些缺點，如測定周期長，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，不能及時反映排放水的污染程度等。庫侖計法、瓦勃呼吸法等也存在操作過程復雜，靈敏度低，無法達到現(xiàn)場實時監(jiān)測等問題。通過上網(wǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)其實探索低成本、高效、穩(wěn)定的BOD傳感器的污水快速檢測方法的研究是比較多的，但都受限于器材原材料價格昂貴、不穩(wěn)定、操作復雜等原因，沒有得到良好的推廣與應(yīng)用。最主要的有如下幾項研究： 基于溶解氧探針的BOD傳感器目前，大多數(shù)BOD傳感器是基于溶解氧監(jiān)控的檢測系統(tǒng)，它一般以固定化微生物—人工膜系統(tǒng)作為識別元件，以氧電極作為物理傳感器，通過微生物氧化作用來降解有機物，消耗溶解氧，再通過檢測溶解氧的減少量而測定BOD值。這種BOD傳感器存在以下局限性：(1)穩(wěn)定性低。溶解氧探針陽極金屬使用過程中被氧化，要保持較高的靈敏度就必須經(jīng)常維護，清洗陽極表面，更換電解液；(2)膜污染問題。廢水中可能存在大量毒害微生物的有機物和重金屬，破壞膜系統(tǒng)的功能，使測量的偏差較大，并且膜系統(tǒng)所引起的堵塞也會影響B(tài)OD傳感器的長期穩(wěn)定性；(3)檢測范圍狹窄。由于氧在水中的溶解度低，造成檢測過程中信號微弱，因此基于溶解氧探針的BOD傳感器檢測范圍狹窄。 光度法BOD傳感器在不同濃度的溶解氧條件下，光度法BOD傳感器能夠產(chǎn)生不同的熒光，得到不同的電流，從而間接反映出水樣中的BOD值。此外，也有些BOD傳感器利用生化反應(yīng)前后微生物本身的變化所產(chǎn)生的不同光信號來間接指示待測水樣的BOD值。光度法BOD傳感器具有長篩檢的操作穩(wěn)定性、不需要消耗溶解氧、不受樣品流速和擾動程度的影響等優(yōu)點。但是，由于這種方法容易受干擾物質(zhì)的影響，因此不能準確測定BOD值。 BOD生物傳感器BOD生物傳感器是一種微生物與電化學轉(zhuǎn)換器相結(jié)合而構(gòu)成的傳感器．當BOD傳感器置于恒溫且被氧飽和的不含BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液中時，由于微生物呼吸活性恒定，傳感器輸出一個恒定的電流值；當傳感器置于含有BOD物質(zhì)的磷酸鹽緩沖溶液時，則因微生物對BOD物質(zhì)的同化作用，使其活性增強而耗氧，導致傳感器輸出信號降低．在一定的范圍內(nèi)，傳感器輸出電流的降低值與BOD物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系。從這個意義上來說，BOD生物傳感器具有檢測污水的優(yōu)勢條件，可以得到充分的應(yīng)用。 迄今為止，不少國家對利用生物傳感器快速測定BOD都制訂了相應(yīng)的標準，并進行了相關(guān)的技術(shù)說明。但目前BOD傳感器大多數(shù)研究處于實驗室階段，距普遍應(yīng)用還有相當?shù)木嚯x，少數(shù)成形產(chǎn)品也存在一些問題。因此，開發(fā)高性能、低成本的BOD快速測定儀具有重要的意義。2 .4 微生物燃料電池原理與應(yīng)用微生物燃料電池[3]主要由陽極室、陰極室和質(zhì)子交換膜等部分組成，燃料（葡萄糖等有機物）在微生物作用下于陽極室被氧化，電子通過外電路到達陰極， 圖3 微生物燃料電池的構(gòu)造示意圖質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰極，氧化物在催化劑作用下在陰極室被還原。 根據(jù)電子傳遞方式的不同，可將微生物燃料電池分為間接和直接微生物燃料電池[4]。間接微生物燃料電池中燃料在電解液中或其他地方反應(yīng)，電子通過電子傳遞中間體傳遞到電極上；直接微生物燃料電池中燃料直接在電極上被氧化，電子直接從燃料分子轉(zhuǎn)移到電極。 基于微生物燃料電池的BOD生物傳感器微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，微生物燃料電池）型傳感器的基本原理[5]是產(chǎn)電微生物的產(chǎn)電呼吸代謝：即以產(chǎn)電微生物作為生物敏感元件，當樣品中的BOD物質(zhì)發(fā)生降解代謝時，會偶聯(lián)微生物輸出電流強弱的變化，在一定條件下傳感器輸出的電量與BOD的濃度呈線性關(guān)系。目前，正在研究的微生物燃料電池型傳感器一般是雙室型結(jié)構(gòu)，即陰、陽兩室中由質(zhì)子交換膜分開，BOD（有機物）作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極（以鉑為陰極催化劑），從而形成回路產(chǎn)生電流，通過電流的自動采集即可實現(xiàn)BOD的在線檢測。電池的陰極液多為磷酸鹽緩沖液，陽極液為待測液。2003年，韓國科學家研制了第一臺微生物燃料電池型BOD傳感器。該傳感器采用連續(xù)流方式進樣，實現(xiàn)了BOD在線監(jiān)測，但是它使用鉑作催化劑，而且需要昂貴質(zhì)子交換膜（每平米約800美元），因而其制作成本高昂，無法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。這也是我研究的一個突破口，是我想解決的問題。如何才能實現(xiàn)微生物燃料電池檢測污水的裝置能實現(xiàn)價格低廉、方便快捷、效果優(yōu)良呢？通過對以上內(nèi)容的深入了解，我逐漸對自己的研究有了更明確的方向與信心。我完全可以避開大部分傳感器的缺點，研制高效、優(yōu)質(zhì)、廉價的新型傳感器。3. 研究內(nèi)容我認為研究的技術(shù)突破口是開發(fā)一種基于微生物燃料電池的便攜式BOD在線測定儀。利用這個儀器檢測污水，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，通過與常規(guī)的5天BOD檢測法進行對比，不斷的優(yōu)化測定儀，實現(xiàn)其檢測便捷、成本低廉、便于應(yīng)用的優(yōu)點。最后，通過實際檢測水樣的規(guī)范操作示例，為檢測儀的應(yīng)用與推廣提供參考依據(jù)。 技術(shù)路線的設(shè)計不斷調(diào)整與改進是否 具體研究思路——我要實現(xiàn)的研究（1）傳感器系統(tǒng)的設(shè)計、制作、改進：通過多次設(shè)計與修改，對比不同設(shè)計的微生物燃料電池（微生物燃料電池裝置），在我們兩年研究的基礎(chǔ)上，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)簡便、低廉、穩(wěn)定的單室空氣陰極微生物燃料電池進行重點探究。（2）微生物燃料電池型傳感器檢測的優(yōu)化：進行多個水樣試驗，考察組裝微生物燃料電池型傳感器在各種復雜條件（不同溶解氧、不同毒害物種類與含量）下檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性，改進電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化檢測條件，提高儀器的檢測效果，編寫信號處理程序，直接將微生物燃料電池電信號轉(zhuǎn)換成BOD數(shù)據(jù)。（3）人工配水實驗：使用谷氨酸和葡萄糖標準溶液進行配水運行試驗，在相同條件（時間、溫度等）下，用BOD傳感器測定標準溶液的電流、電壓，用傳統(tǒng)方法測定標準溶液BOD5值，對比兩者的相關(guān)性，建立相應(yīng)的線性方程（標準曲線），確定新型微生物燃料電池檢測污水的標準。（4）實地水樣測定：利用組裝的微生物燃料電池測定典型污染水體，獲得電流、電壓信號，利用標準曲線換算出水樣BOD值，得出水污染的情況，對比污染指標，提出檢測的依據(jù)，為應(yīng)用提供參照性的意見；（5）到污水處理廠做使用調(diào)查，根據(jù)污水處理廠的實際使用情況，改進設(shè)備。4. 實驗材料與實驗方法 新型BOD傳感器設(shè)計與制作 新型BOD傳感器的設(shè)計草圖圖4 傳感器設(shè)計草圖 新型BOD傳感器的研究與制作BOD傳感器結(jié)構(gòu)如圖4 所示，包括微生物燃料電池和信號采集裝置兩大部分，為單室空氣陰極微生物燃料電池。（1） 以20 mL注射器作為微生物燃料電池骨架，在注射器側(cè)面打孔，根據(jù)注射器的大小，我確定打孔規(guī)格為1213個，孔直徑4 mm；打孔的依據(jù)與原理： 在注射器上打孔是為了讓陽極溶液與陽離子交換膜接觸，陽極液中的陽離子才能通過陽離子交換膜到達陰極碳布，與空氣中的氧反應(yīng)生成水?？椎臄?shù)目越多，陽極液與陽離子交換膜的接觸面積就越大，所以理論上說孔的數(shù)目越多越好。但是孔的數(shù)目太多了，注射器千瘡百孔變得很脆弱，失去了骨架作用，使得陽極室容易變形，不能固定陽極室的體積。所以針對20mL的注射器（高7厘米，） ，我經(jīng)過認真的思考與設(shè)計，在白紙上畫圖，多次反復修改，最后確定打孔規(guī)格為1213（橫向12排，縱向13排） ，孔直徑4 mm為最合適。制作過程中遇到的問題與解決辦