一种基于微生物燃料电池的传感器系统及优化方法和应用技术方案

本发明专利技术一种基于微生物燃料电池的传感器系统，包括在换热器旁流管道的一侧设有传感器反应装置，在换热器旁流管道与传感器反应装置之间安装预处理室，在换热器旁流管道的上方设置电磁阀。本发明专利技术还具体公开了上述传感器系统的优化方法，可以利用驯化完成的微生物燃料电池作为传感器，放置于循环水系统中所有主要的换热器旁流管道旁，对泄漏工业物料渗入循环水系统中进行实时监测。

A sensor system based on microbial fuel cell and its optimization method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物燃料电池的传感器系统及优化方法和应用
本专利技术属于新能源与环境工程
，具体涉及一种基于微生物燃料电池的传感器系统，还涉及上述传感器系统的优化方法和应用。
技术介绍
工业冷却循环水是对工业生产过程中产生的余热进行降温消除的系统，其中核心构件换热器是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，为实现化工生产过程中热量交换和传递起到重要作用。在长期的运行过程中，由于循环水中的CL-、Fe3+、S2-、Cu2+、NO3-、SO42-等离子的点蚀和化学腐蚀，导致工业物料泄漏，使管道形成结垢或黏泥，造成局部腐蚀加剧，其后果不仅会对环境造成污染，长期的泄漏还会影响正常生产，甚至会导致循环水系统停运和生产装置非计划停工，造成极大的经济损失。当发生泄漏时，由于泄漏孔以数个“毫米”来计，很难立即察觉到循环水水质面临污染，而目前国内主要依靠的是水样采集的线下分析结合人工经验判断的技术手段，即对每个出水口和进水口的水质进行采集，并用线下的方式萃取分析，在得到水质相关数据后又对整套系统近百个换热器依据经验一一排查，耗时大、劳动强度高，并且准确度很低。为能够及时准确高效率对泄漏换热器进行定位，从而大大缩减国内常规排查时间和劳动强度，以MFC为基本原理设计的传感器结构，主要是通过厌氧微生物对泄漏的有机物进行捕食产生电信号，在采集系统中观测到电信号的累积差异，从而快速得知具体泄漏的换热器并起到预警作用。传感器设备设计为双室结构，中间是质子交换膜，阳极室中通过换热器管道旁流以及预处理室的除氧过程后注入循环水，同时设计电磁阀控制水量，提高自动化，通过外加电阻连接电压数据采集系统。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种基于微生物燃料电池的传感器系统，能够快速得知换热器具体泄漏的点并起到预警作用。本专利技术的第二个目的是提供上述传感器系统的优化方法。本专利技术的第三个目的是提供上述传感器系统在换热器泄露的应用。本专利技术所采用第一种的技术方案是：一种基于微生物燃料电池的传感器系统，包括在换热器旁流管道的一侧设有传感器反应装置，在换热器旁流管道与传感器反应装置之间安装预处理室，在换热器旁流管道的上方设置电磁阀。本专利技术所采用第一种技术方案的特点还在于，传感器反应装置为双室MFC传感器，传感器的阳极为碳刷，阴极为圆形碳毡。预处理室内安装超声装置或充氮装置。本专利技术所采用的第二种技术方案是：一种基于微生物燃料电池的传感器系统的优化方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、对传感器反应装置进行驯化采用营养液对传感器反应装置在30℃恒温驯化，连接外部500Ω电阻，直到传感器反应装置的输出电压达到最大，且在两天及两天以上处于电信号稳定阶段，即完成驯化过程；步骤2、对步骤1中驯化后的传感器反应装置进行参数优化：步骤2.1、采用最大功率法确定传感器反应装置最佳外接电阻；步骤2.2、根据步骤2.1得到的最佳外接电阻，在传感器反应装置上负载最佳外接电阻，通过电化学工作站的线性扫描伏安法模块，确定传感器反应装置最大功率下的最大输出电压；步骤2.3、采用安培-时间曲线法对传感器反应装置的电信号进行采集，确定传感器反应装置最佳响应时间下的最佳进样流量，即完成传感器系统的优化。本专利技术所采用第二种技术方案的特点还在于，传感器反应装置为双室MFC传感器，传感器的阳极为碳刷，阴极为圆形碳毡。步骤1中营养液为磷酸缓冲液和维生素溶液的混合溶液，磷酸缓冲液的浓度为50mmoL/L，维生素溶液的浓度为5mL/L，维生素溶液占营养液总质量的0.5％。步骤2.1中具体操作过程为：设定电磁阀的进样量为45mL/h，断开外接电阻，再连接电阻箱，电阻箱的阻值为50Ω、100Ω、200Ω······2000Ω，改变电阻箱的阻值，根据公式(1-1)计算得到双室MFC传感器最大功率下的电阻值，即为最佳外接电阻；最佳外接电阻的阻值为1000Ω。步骤2.2按照以下步骤具体进行：通过电磁阀控制步骤1中完成驯化的双室MFC传感器的进样量，并经过预处理室充氮或者超声除去进样水中的氧气，在双室MFC传感外部循环电路负载1000Ω电阻，通过电化学工作站的线性扫描伏安法模块LSV，并绘制双室MFC传感器稳态工作下的极化曲线和功率密度曲线，确定双室MFC传感器最大功率下的最大输出电压；传感器反应装置最大功率下的最大输出电压为1.05mV～1.22mV。步骤2.3中，根据传感器的大小，利用电磁阀将传感器反应装置的进样量依次设置为30mL/h、50mL/h、70mL/h，通过电化学工作站采集传感器反应装置的电信号，确定传感器反应装置最佳响应时间下的最佳进样流量；最佳进样流量为50mL/h；电化学工作站为科斯特CS350。本专利技术所采用的第三种技术方案是：一种基于微生物燃料电池的传感器系统在循环冷却水系统换热器泄漏的应用。本专利技术的有益特点是：利用驯化完成的微生物燃料电池作为传感器，放置于循环水系统中所有主要的换热器旁流管道旁，对泄漏工业物料渗入循环水系统中进行实时监测。通过工业物料的泄漏使循环水中有机物浓度增加，导致微生物对有机物的吸收后，电信号变化明显，依据变化趋势来判断具体泄漏的换热器。减少了国内常规耗时长，工作劳动强度大的人工水质采集分析，以及在系统上百个换热器中根据经验判断具体的泄漏；缩短了预警时间，避免了生产事故的发生和经济的损失。附图说明图1为本专利技术双室MFC传感器外观模拟示意图；图2为本专利技术三个连续周期的微生物驯化阶段电压变化图；图3为本专利技术稳态下双室MFC传感器的极化曲线和功率密度曲线图；图4为本专利技术趋于稳态的双室MFC传感器的工作电压图；图5为本专利技术双室MFC传感器不同进样量下的不同响应时间示意图；图6为本专利技术双室MFC传感器对葡萄糖不同浓度的电信号输出图；图7为本专利技术双室MFC传感器对乙酸钠不同浓度的电信号输出图。图1中：1.换热器旁流管道，2.传感器反应装置，3.预处理室，4.电磁阀。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步阐述。如图1所示，为本专利技术一种基于微生物燃料电池的传感器系统的结构示意图，包括在换热器旁流管道1的一侧设有传感器反应装置2，在换热器旁流管道1与传感器反应装置2之间安装预处理室3，在换热器旁流管道的1的上方设置电磁阀4。感器反应装置2之为直径6cm、高10cm的柱形双室MFC传感器，阳极室选择导电性能良好、成本较低的碳刷作为阳极，经丙酮浸泡过夜，取出后直接加热再使用；阴极室中的阴极采用厚度为3mm、直径为30mm的圆形碳毡。预处理室3内安装超声装置或充氮装置,对进水进行去除氧气，预处理室3同时可以减缓循环水中水的流速作用。一种基于微生物燃料电池的传感器系统的优化方法，采用上述装置，具体按照以下步骤实施：步骤1、对双室MFC传感器2进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微生物燃料电池的传感器系统，其特征在于，包括在换热器旁流管道(1)的一侧设有传感器反应装置(2)，在所述换热器旁流管道(1)与传感器反应装置(2)之间安装预处理室(3)，在换热器旁流管道(1)的上方设置电磁阀(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物燃料电池的传感器系统，其特征在于，包括在换热器旁流管道(1)的一侧设有传感器反应装置(2)，在所述换热器旁流管道(1)与传感器反应装置(2)之间安装预处理室(3)，在换热器旁流管道(1)的上方设置电磁阀(4)。


2.根据权利要求1所述的一种用于循环冷却水系统换热器泄漏预警监测装置，其特征在于，所述传感器反应装置(2)为双室MFC传感器，所述传感器的阳极为碳刷，阴极为圆形碳毡。


3.根据权利要求1所述的一种用于循环冷却水系统换热器泄漏预警监测装置，其特征在于，所述预处理室(3)内安装超声装置或充氮装置。


4.一种基于微生物燃料电池的传感器系统的优化方法，采用权利要求1所述的装置，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对传感器反应装置(2)进行驯化
采用营养液对传感器反应装置(2)在30℃恒温驯化，连接外部500Ω电阻，直到传感器反应装置(2)的输出电压达到两天及两天以上处于电信号稳定阶段，即完成驯化过程；
步骤2、对步骤1中驯化后的传感器反应装置(2)进行参数优化：
步骤2.1、采用最大功率法确定传感器反应装置(2)最佳外接电阻；
步骤2.2、根据步骤2.1得到的最佳外接电阻，在传感器反应装置(2)上负载最佳外接电阻，通过电化学工作站的线性扫描伏安法模块(LSV)，确定传感器反应装置(2)最大功率下的最大输出电压；
步骤2.3、采用安培-时间曲线法对传感器反应装置(2)的电信号进行采集，确定传感器反应装置(2)最佳响应时间下的最佳进样流量，即完成传感器系统的优化。


5.根据权利要求4所述的一种基于微生物燃料电池的传感器系统的优化方法，其特征在于，所述传感器反应装置(2)为双室MFC传感器，所述传感器的阳极为碳刷，阴极为圆形碳毡。


6.根据权利要求4所述的一种基于微生物燃料电池的传感器系统的优化方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑兴，李晓良，王一帆，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61