本发明专利技术公开了一种用于测量CW‑MFC反应速率的装置，包括电池耦合装置、测量电路、单片机；所述电池耦合装置为上端开口的半封闭腔体，从一侧至另一侧分别为进水口、阴极室、薄膜、第一滤料区、阳极室、第二滤料区、卵石层和出水口，上端开口处铺设植物层；所述测量电路两端分别连接电池耦合装置的阴极室和阳极室，用于测量其内部电压值，所述电池耦合装置通过测量电路与单片机相连，还公开该装置的测量方法，该装置可准确测得内部氧气浓度变化速率，即为CW‑MFC的反应速率。
【技术实现步骤摘要】
一种用于测量CW-MFC反应速率的装置及方法
本专利技术涉及一种反应速率测量领域，尤其是涉及一种用于测量CW-MFC反应速率的装置及方法。
技术介绍
人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)是一种将人工湿地与微生物燃料电池进行耦合的系统，由于其创新性和优良的环境效益，目前已经在印染废水降解、农村生活污水净化等诸多领域得到了广泛的应用。人工湿地-微生物燃料电池不但可以利用人工湿地内部的好氧与厌氧交替的环境，而且可以利用微生物燃料电池将化学能转化为电能的优势，在去除污染物的同时，可以实现生物产电。但是，人工湿地-微生物燃料电池仍存在不少问题，需要及时地改进和调整：如人工湿地-微生物燃料电池的产电性能受到有机负荷、氧化还原梯度、湿地植物及基质等因素的影响，当装置体积增大时还会出现功率密度过低、内阻过大、库伦效率低等问题。而人工湿地-微生物燃料电池的反应速率可以用于评估装置的水质净化效果、硝化菌与反硝化菌的活性。因此，需要直观便捷地测得人工湿地-微生物燃料电池的实时反应速率，进而及时对装置的净水和产电性能进行改进和适应性调整，但目前仍缺乏一种有效的方法。如中国专利CN201610273268提供了一种降解偶氮染料的CW-MFC耦合系统及其降解方法，优化了阴极区域构造和性能，营造了好氧环境提高了处理效率，但是不能及时评估装置运行的反应速率，没有解决实际运行中可能遇到的CW-MFC处理效果评价问题。氧气浓度会影响硝化菌和反硝化菌的活性，进而影响人工湿地-微生物燃料电池对COD、NO3--N、NH4+-N等指标的去除效果，同时氧气在人工湿地-微生物燃料电池的阴极被消耗生成水，故氧气浓度的变化速率可以反映人工湿地-微生物燃料电池的反应速率。常见的溶解氧测量方法有电流测定法和碘量法等，但是碘量法测量周期长，程序繁琐，易受外界环境干扰，而电流测定法需要不停搅拌样品，更换电解液、活化电极，运行维护比较复杂，且电流法的常用电极是银和铂等重金属，会产生二次污染问题。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服
技术介绍
的不足，本专利技术第一目的是公开一种用于测量CW-MFC反应速率的装置；第二目的是公开该装置的测量CW-MFC反应速率得方法。技术方案：本专利技术所述的用于测量CW-MFC反应速率的装置，包括电池耦合装置、测量电路、单片机；所述电池耦合装置为上端开口的半封闭腔体，从一侧至另一侧分别为进水口、阴极室、薄膜、第一滤料区、阳极室、第二滤料区、卵石层和出水口，上端开口处铺设植物层；所述测量电路两端分别连接电池耦合装置的阴极室和阳极室，用于测量其内部电压值，所述电池耦合装置通过测量电路与单片机相连。薄膜为透氧薄膜，确保水中溶解的氧气聚集至阴极室附近被还原。进一步的，所述测量电路中包括限流电阻、三极管、热敏电阻、电压表，所述三极管的基极通过限流电阻与阴极室连接，所述三极管的发射极与阴极室直接连接，所述三极管的集电极通过热敏电阻与阳极室连接，所述电压表连接单片机并与热敏电阻并连，三极管将测量电路的电流和电压放大，进而提高测量精度，单片机将传感器收到的电信号传给计算机，进而绘制实时图表。进一步的，所述所述阴极室与阳极室的填料为粒径1-8mm颗粒活性炭；所述第一滤料区和第二滤料区均由粒径范围为4-10mm的砾石组成；所述卵石层为粒径20-35mm的鹅卵石组成；所述植物层为蒲草或灯芯草。进一步的，所述阴极室的填料厚度为4-6cm，所述第一滤料区的填料厚度为25-30cm，所述阳极室的填料厚度为8-12cm，所述第二滤料区的填料厚度为5-10cm，所述卵石层的填料厚度为10-20cm。进一步的，所述限流电阻选用800-1500Ω的外电阻，所述热敏电阻选用标称阻值为1000Ω的外电阻，以确定温度对电流和氧分压关系的影响。一种用于测量CW-MFC反应速率的方法，包括以下步骤：A、搭建上述的电池耦合装置，连接测量电路和单片机；B、将人工废水通过进水口进入电池耦合装置，待水位上升至距装置顶部3-5cm处停止进水；C、反应期间读出并记录热敏电阻的阻值R，及电压表示数U，三极管的放大倍数为n，法拉第常数为F，阴极室的表面积为A，薄膜的渗透系数为Pm，薄膜厚度为L，根据欧姆定律、法拉第定律得溶解氧浓度为：D、计算溶解氧气的浓度变化速率并通过传感器和单片机反馈给计算机，进而求得CW-MFC电池耦合装置的实时氧浓度变化速率，即CW-MFC电池耦合装置的反应速率：E、装置运行6-7小时后，运行结束，从装置出水口将水排出。工作原理：人工湿地-微生物燃料电池的阳极室中，有机物在厌氧条件下被微生物降解，产生的电子被微生物捕获并传给阳极，电子到达阴极，从而形成回路产生电流，氧气在阴极室被消耗生成水。根据法拉第定律，流过电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电流与氧浓度呈线性关系，因此通过设置热敏电阻可以得到不同温度下的电阻，再测量相应的电压可以求得电流，通过三极管放大以提高测量精度，可以由电流计算出氧气的浓度，并通过传感器和单片机传给计算机，进而求得实时的氧气浓度变化速率，即人工湿地-微生物燃料电池装置的反应速率。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点为：利用电化学的方法，通过三极管放大后，由热敏电阻和电压表简便而直观地测得人工湿地-微生物燃料电池装置阴阳极间的电流，进而反应出氧气浓度的变化情况，而耦合装置发生的氧化还原反应速度以及反硝化菌、硝化菌的活性，与氧气浓度的变化情况有关，因而将反应速率的测量问题转化为了电压表示数的变化，而且装置进水的过程起到了搅拌和更换电解液的作用，降低了薄膜堵塞和损坏的可能性，延长了使用周期，提高了测量精度，简单易行，操作方便，成本较低。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图；图2是本专利技术工作流程示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1所示的用于测量CW-MFC反应速率的装置，包括电池耦合装置1、测量电路2、单片机3；所述电池耦合装置1为上端开口的半封闭腔体，从左侧至右侧分别为进水口101、阴极室102、薄膜103、第一滤料区104、阳极室105、第二滤料区106、卵石层107和出水口108，上端开口处铺设植物层109；阴极室102的填料为粒径4mm的颗粒活性炭，填料厚度5cm，阳极室105的填料为5mm的颗粒活性炭，填料厚度10cm，薄膜103为透氧薄膜，使水中的溶解氧集中在阴极被还原。第一滤料区104和第二滤料区106均由10mm的砾石滤料组成，填料厚度分别为25cm和5cm；卵石层107为铺设在第二滤料区右方的粒径为25mm鹅卵石，填料的厚度为10cm；植物层109选用蒲草。其中进水口高，出水口低。所述测量电路2两端分别连接电池耦合装置1的阴极室102和阳极室105，用于测量其内部电压值，所述电池耦合装置1通过测量电路2与单片机3相连。所述测量电路2中包括限流电阻201、三极管202、热敏电阻203、电压表204，所述三极管202的基极通过限流电阻201与阴极室102连接，所述三极管202的发射极与阴极室102直接连接，所述三极管202的集电极通过热敏电阻203与阳极室105连接，所述电压表204连接单片机3并与热敏电阻203并连。阴极室102和阳极室105的右端均设置40-60μm厚的铜网，优选本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于测量CW‑MFC反应速率的装置，其特征在于：包括电池耦合装置(1)、测量电路(2)、单片机(3)；所述电池耦合装置(1)为上端开口的半封闭腔体，从一侧至另一侧分别为进水口(101)、阴极室(102)、薄膜(103)、第一滤料区(104)、阳极室(105)、第二滤料区(106)、卵石层(107)和出水口(108)，上端开口处铺设植物层(109)；所述测量电路(2)两端分别连接电池耦合装置(1)的阴极室(102)和阳极室(105)，用于测量其内部电压值，所述电池耦合装置(1)通过测量电路(2)与单片机(3)相连。
【技术特征摘要】
1.一种用于测量CW-MFC反应速率的装置，其特征在于：包括电池耦合装置(1)、测量电路(2)、单片机(3)；所述电池耦合装置(1)为上端开口的半封闭腔体，从一侧至另一侧分别为进水口(101)、阴极室(102)、薄膜(103)、第一滤料区(104)、阳极室(105)、第二滤料区(106)、卵石层(107)和出水口(108)，上端开口处铺设植物层(109)；所述测量电路(2)两端分别连接电池耦合装置(1)的阴极室(102)和阳极室(105)，用于测量其内部电压值，所述电池耦合装置(1)通过测量电路(2)与单片机(3)相连。2.根据权利要求1所述用于测量CW-MFC反应速率的装置，其特征在于：所述测量电路(2)中包括限流电阻(201)、三极管(202)、热敏电阻(203)、电压表(204)，所述三极管(202)的基极通过限流电阻(201)与阴极室(102)连接，所述三极管(202)的发射极与阴极室(102)直接连接，所述三极管(202)的集电极通过热敏电阻(203)与阳极室(105)连接，所述电压表(204)连接单片机(3)并与热敏电阻(203)并连。3.根据权利要求1所述用于测量CW-MFC反应速率的装置，其特征在于：所述阴极室(102)与阳极室(105)的填料为粒径1-8mm颗粒活性炭；所述第一滤料区(104)和第二滤料区(106)均由粒径范围为4-10mm的砾石组成；所述卵石层(107)为粒径20-35mm的鹅卵石...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨士红，江赜伟，庞晴晴，徐俊增，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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