一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于构建高效植物‑微生物燃料电池的方法，通过构建不含离子交换膜的单室空气阴极，以输出电压作为产电性能的评价指标，并测定与输出电压相关的参数指标：如电极电位、输出电压、阴极区pH值、阴极区溶解氧浓度、环境温度、植物根系孔隙度及泌氧率，通过分析各项参数指标与输出电压的相关性，筛选适合构建高性能植物‑微生物燃料电池的环境条件和植物类型。该方法通过对不同影响因子与产电性能相关性进行分析，确定了适宜构建的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择调控手段，实现新型高性能植物‑微生物燃料电池的构建。

A method for constructing efficient plant microbial fuel cells

The invention relates to a method for constructing an efficient plant microbial fuel cell. By constructing a single chamber air cathode without ion exchange membrane, the output voltage is used as the evaluation index of the output voltage and the parameters related to the output voltage, such as the electrode potential, the output voltage, the pH value of the cathode area, the dissolution of the cathode region. The concentration of oxygen, the temperature of the environment, the porosity of plant root and the rate of oxygen secretion were analyzed. By analyzing the correlation between the parameters and the output voltage, the environmental conditions and plant types suitable for the construction of high performance plant microbial fuel cells were screened. By analyzing the correlation between different influence factors and power production performance, the suitable plant types and environmental conditions are determined: low oxygen rate, suitable growth of environmental temperature, low level of pH in cathodic area, high concentration of dissolved oxygen in cathode area, and the realization of new high performance plants by selection and control methods. The construction of the microbial fuel cell.

【技术实现步骤摘要】
一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法
本专利技术涉及植物-微生物燃料电池领域，具体涉及一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法。
技术介绍
全球能源危机和环境问题愈演愈烈，寻求和开发绿色高效可再生新能源已引起全世界的广泛关注。微生物燃料电池(Microbialfuelcell,MFC)是一种既可处理环境污染又可以产生电能的新型的清洁能源技术，它以微生物作为催化剂，代谢环境物质(有机物和部分无机物)，释放电子，经外电路实现化学能转化成电能。植物-微生物燃料电池(Plantmicrobialfuelcell,P-MFC)是将植物引入微生物燃料电池的一种新型燃料电池，它以植物光合作用产生的根系分泌物作为土壤产电微生物的电子的供体，将太阳能持续不断地转化为电能，是一种能耗少、无污染、持续性好、具有自我修复能力、可再生的绿色能源。目前P-MFC产电性能不理想的一个重要原因在于人们对影响P-MFC产电性能的因素及其作用机制缺乏了解。在P-MFC中，植物根系结构和生理性状(如根系泌氧性能、根系分泌物等)、电极所处的环境条件(如pH值、溶氧浓度、微生物群落等)都有可能是影响P-MFC产电性能的重要因素。这些因素如何影响P-MFC的产电性能尚待深入研究。为完善P-MFC技术，进一步提高其产电性能，本专利技术拟通过对影响P-MFC产电性能参数指标的测定和相关性分析，筛选适宜构建P-MFC的植物类型和环境条件，通过选择调控手段，实现高性能P-MFC的构建。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种构建高效植物-微生物燃料电池物-微生物燃料电池的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术公开了一种构建高效植物-微生物燃料电池的方法，其具体步骤为：(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；(2)植物材料与繁殖培养：选取合适的植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；(3)构建不含离子交换膜的单室空气阴极：以不透光、不导电的容器为反应器，选石墨毡、碳布、含铂催化剂复合材料中的一种或几种作为阴、阳电极，每个电极插入合金金属丝作为导线，反应器底部覆盖基质，阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，将步骤(2)培养的植物取出，穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水；(4)记录电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值；(5)观察根系结构：对根系结构进行观察；(6)数据统计和处理分析：绘制电压变化动力趋势图、输出电压和环境温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图、根系结构图，获得溶解氧浓度、根系泌氧率、根系孔隙度、阳极电位值数据；(7)确定适宜构建的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择和调控等手段，实现新型高性能植物-微生物燃料电池的构建。作为本专利技术所述用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法的优选实施方式，优选地，所述步骤(1)中的泥土，采自河畔湿地50cm深度以下，且研碎过20～100目筛。优选地，所述步骤(2)中的植物，选取健康带芽茎段或幼苗，沙土含有有机质含量少于2％。将健康带芽茎段或幼苗的植物置于盛有沙土的容器中生根培养，2周后取出，洗净根系转入盛有步骤(1)基质的容器中培养。优选地，所述步骤(3)中构建的反应器，为黑色塑料桶，所述阴、阳电极，为石墨毡；所述合金金属导线，为钛丝、银丝、铜丝、铝丝或铁丝，更优选地，为钛丝。以黑色塑料圆桶作为反应器，采用黑色塑料桶主要目的是可以遮光，防止基质中绿藻在容器壁生长，干扰阳极电位及微生物的活动；以石墨毡作为阴、阳电极是由于其导电性优于其他材料；每个电极插入钛丝作为导线，钛丝长期在水中不会腐蚀生锈，同时导电性能优于常规金属铜、铝等；构建不含离子交换膜的单室空气阴极，反应器底部覆盖基质，阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，阴极钻孔置于基质表面。将步骤(2)培养的植物取出，根系用自来水冲洗干净后穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水。优选地，步骤(4)中记录电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算得阳极电位值，使用万用表每隔10min记录一次电压数据；分别将连接有电压表的银/氯化银参比电极和pH值/溶解氧仪置于阴极表面，测定其阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度；采用柠檬酸钛比色法和比重瓶法分别测定根系泌氧率与阳极电位值。每天在8:30、13:30、18:00时间点记录一次数据，并同时用温湿度记录仪实时记录外界环境温度，监测时段为植物整个生长期。优选地，步骤(5)中所述观察根系结构，取步骤(2)中的植物根系切成小段，经FAA固定液固定、乙醇梯度脱水、透明、浸蜡包埋、切片机切片、脱蜡、复水、染色、封片、镜检步骤，进行根系结构观察。优选地，步骤(6)中所述电压变化动力趋势图、输出电压和环境温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图均采用Excel软件进行数据统计和处理，分析和明确pH值和溶解氧浓度与阴极电位及输出电压的相关性；结合根系结构图、根系孔隙度和根系泌氧率，分析三者与阳极电位的相关性，明确根系结构生理与输出电压的相关性。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术先根据构建的物-微生物燃料电池的输出电压高且持续时间长、植物根系泌氧率低来筛选植物，从而选出产电性能较好的植物资源；再通过调节环境温度、阴极区pH值和溶氧浓度等条件考察筛选出的植物P-MFC的产电效果，进一步考察了待筛选植物根系结构和生理指标，对应结合阳极电位变化情况，综合分析根系性状与阳极电位的关联性，这样筛选出来的植物能在更大程度上保证阳极保持相对较低的电位，利于增加输出电压，通过本专利技术构建的方法可筛选出产电性能高的植物种类，同时通过选择和调控环境条件来提高P-MFC产电性能。附图说明图1为本专利技术处理组和对照组电压变化动力曲线。图2为本专利技术处理组和对照组输出电压和温度动力学曲线。图3为本专利技术处理组和对照组阴极电位变化动力学曲线。图4为本专利技术处理组和对照组阴极区pH值变化动力学曲线。图5为本专利技术处理组和对照组阴极区溶氧浓度变化动力学曲线。图6为本专利技术处理组和对照组阳极电位变化动力学曲线。图7为本专利技术处理组根系结构图。具体实施方式为了更加简洁明了的展示本专利技术的技术方案、目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细描述。实施例1本专利技术一种用于构建高效植物微生物燃料电池的方法的一种实施例，本实施例所述方法包含以下步骤：(1)制备基质：取河畔湿地50cm深度以下的泥土经风干后，研碎过100目筛得到基质。(2)植物材料与繁殖培养：选用水生黍(Panicumpaludosum)、莞草(Cyperusmalaccensisvar.brevifolius)、多枝扁莎(Pycreuspolystachyus)、双穗雀稗(Paspalumpaspaloides)4种植物作为实验材料，选取15-20cm左右的健康带芽茎段或幼苗，将其置于盛有沙土，有机质含量为0.9％的塑料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于构建高效植物‑微生物燃料电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；(2)植物材料与繁殖培养：选取合适的植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；(3)构建不含离子交换膜的单室空气阴极：以不透光、不导电的容器为反应器，选石墨毡、碳布、含铂催化剂复合材料中的一种或几种作为阴、阳电极，每个电极插入合金金属丝作为导线，反应器底部覆盖基质，阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，将步骤(2)培养的植物取出，穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水；(4)记录电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值；(5)观察根系结构：对根系结构进行观察；(6)数据统计和处理分析：绘制电压变化动力趋势图、输出电压和环境温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图、根系结构图，得到溶解氧浓度、根系泌氧率、根系孔隙度、阳极电位值数据；(7)确定适宜构建的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择调控手段，实现新型高性能植物‑微生物燃料电池的构建。...

【技术特征摘要】
1.一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；(2)植物材料与繁殖培养：选取合适的植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；(3)构建不含离子交换膜的单室空气阴极：以不透光、不导电的容器为反应器，选石墨毡、碳布、含铂催化剂复合材料中的一种或几种作为阴、阳电极，每个电极插入合金金属丝作为导线，反应器底部覆盖基质，阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，将步骤(2)培养的植物取出，穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水；(4)记录电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值；(5)观察根系结构：对根系结构进行观察；(6)数据统计和处理分析：绘制电压变化动力趋势图、输出电压和环境温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图、根系结构图，得到溶解氧浓度、根系泌氧率、根系孔隙度、阳极电位值数据；(7)确定适宜构建的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择调控手段，实现新型高性能植物-微生物燃料电池的构建。2.根据权利要求1所述的一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法，其特征在于：步骤(1)中所述泥土采自河畔湿地50cm深度以下，且研碎过20～100目筛。3.根据权利要求1所述的一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法，其特征在于：步骤(2)中培养的植物选取其芽茎段或幼苗，所述植物为能耐水湿环境且生长健康的植物，所述沙土含有有机质含量少于2％。4.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海林，陈金峰，邹春萍，孙映波，张佩霞，于波，黄丽丽，
申请(专利权)人：广东省农业科学院环境园艺研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44