【优博微展2018】蒋永：基于微生物电化学技术的水质预警系统研究

蒋永：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

基于微生物电化学技术的水质预警系统研究

Study on Microbial Electrochemical Technology for Water Alert System

作       者：蒋永          

指导教师：梁鹏

培养院系：环境学院             

学       科：环境科学与工程

读博感言：412做事，305做人

研究背景/选题意义/研究价值

水质预警对保障水生态安全十分重要。本研究针对现有微生物电化学水质预警技术的灵敏度低和假阴性两个问题开展工作，优化电极材料、装置结构与电路控制模式，提高灵敏度；构建生物阴极敏感元件解决假阴性；远程污水处理厂现场监测预警，推进该新型生物预警技术的实用化。

主要研究内容

1. 电极及装置结构优化 

开发穿透电极并提出小型化阴极共享型传感器阵列。穿透电极构型可将传感器的灵敏度提升15-41倍。小型化阴极共享型微生物电化学传感器阵列的构型可以缩短响应时间，具有高平行性和独立性，没有交叉污染或电信号干扰。

图1. 传感器电极及装置结构优化（A）穿透和侧流模式示意图；（B）不同流态下对铜离子监测（2 mg/L）；（C）小型化阴极共享型传感器阵列；（D）阵列对有机物监测，数字为乙酸（mM）

2. 暂态电路控制模式

提出了暂态操作模式，暂态操作MFC传感器可提高对三类常规污染物（有机物、酸性及重金属）监测的灵敏度50%-247%。通过等效电路分析暂态操作对MFC传感器灵敏度提升的机理。

图2. 暂态电路控制模式（A）暂态模式示意图；（B）暂态和稳态模式对铜离子监测对比

3. 生物阴极敏感元件

生物阴极敏感元件与传统生物阳极比，对甲醛监测的灵敏度提升1-15倍；并可避免有机物/毒性物质复合冲击下的假阴性问题。基于气体扩散生物阴极敏感元件的MFC传感器可以用于好氧水体、厌氧水体和空气污染的直接监测。

图3. 生物阴极和生物阳极分别作敏感元件

4. 现场监测性能

基于物联网的无线数据传输技术，实现微生物电化学水质预警系统电信号数据的远程传输及预警信号在手机端的接收。生物阴极敏感元件MFC传感器对有机物冲击负荷提高到320mg/L时，在40分钟内可成功触发预警信号。三次对0.1%甲醛预警试验中，生物阳极敏感元件MFC传感器的预警信号触发时间均小于10分钟。

图4.生物阳极型微生物电化学水质预警系统现场监测（A）电信号；（B）传感器2触发预警；（C）传感器1触发预警，插入图为监测原理

主要创新点

1. 研发了穿透阳极和共享阴极阵列的构型，结合电路控制，提升了检测的灵敏度和平行性。

2. 构建了生物阴极传感器，提高了检测的灵敏性，避免有机物/毒性物质复合冲击时假阴性。

3. 使用研制的水质预警系统进行了污水处理厂现场在线检测，推进了该仪器的实用化进程。

代表性学术发表

1.Jiang Y, et al. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2018, 81: 292-305.

2.Jiang Y, et al. Chemosphere, 2018, 203: 21-25.

3.Jiang Y, et al. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6: 8650–8658.

4.Jiang Y, et al. Biosensors & Bioelectronics, 2017;94:344-350. 

5.Jiang Y, et al. International Journal of Hydrogen Energy, 2017;42:4342-8.

6.Jiang Y, et al. Environmental Science: Water Research & Technology, 2017;3 (3):472-479.

7.Jiang Y, et al. International Journal of Molecular Sciences, 2016;17:1392.

8.Jiang Y, et al. Applied Energy, 2016;165:670-5. 

9.Jiang Y, et al. Bioresource Technology, 2015;190:367-72. 

作者：蒋永

供图：蒋永

编辑：清华大学研究生院  周明坤 吴佳瑛 李文