由Pee提供技术支持:在微生物燃料电池中使用尿液

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 6 - >
所需时间 很长(1个月以上)
先决条件 以前使用万用表和熟悉电力物理的经验很有帮助,但不是必需的。
材料可用性 微生物燃料电池套件需要我们的合作伙伴特别订购 Home Science Tools
费用 平均值($ 50 – $ 100)
安全 处理微生物燃料电池的电极(阴极和阳极)时,请务必佩戴随套件提供的手套。电极由称为石墨纤维的导电材料制成,不应放置在电子设备或电源插头附近,或将其纤维分散在空气中。当纤维与电子设备接触时,会导致电气短缺。使用人尿时戴上手套。建议成人监督。

摘要

每天,我们都会产生大量的污水(废水中充满了粪便和尿液)。事实上,它每年在世界范围内每年生产的尿液总数达到6.4万亿升!收集污水然后进行处理或处理。但是,如果有一种方法可以使污水做一些有用的事情呢?人体尿液含有丰富的营养成分,有些细菌在摄入这些营养素时会茁壮成长。还存在称为微生物燃料电池的装置,其可通过使用某些细菌产生电力。人尿能用于在微生物燃料电池中发电吗?在这个科学项目中找到自己。

目的

研究如何向微生物燃料电池添加不同量的尿液来改变其功率输出。

积分

Teisha Rowland,博士,科学伙伴Svenja Lohner博士,科学伙伴

感谢ColdQuanta Inc.的Bob Rowland,以及测试这个项目构想的帮助,以及Science Buddies的Ben Finio,PhD和Howard Eglowstein,以及Keego Technologies LLC执行董事Keegan Cooke的反馈意见。

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

科学伙伴。”由小便提供动力:在微生物燃料电池中使用尿液。” 科学伙伴,2018年9月21日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvSci_p061/environmental-science/microbial-fuel-cell-urine。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2018年9月21日)。由小便提供动力:在微生物燃料电池中使用尿液。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/EnvSci_p061/environmental-science/microbial-fuel-cell-urine


最后编辑日期:2018-09-2

简介

微生物细胞尿液缩略图

每年,全世界人们生产大约6.4万亿升尿!这是需要收集然后适当处理和/或处理的大量废物。但也许我们不需要将其视为”浪费” ;它可能在处理过程中起到有用的作用。尿中充满了营养素,主要是(以尿素的形式),以及其他化合物,包括氯化物,钠,钾和肌酐。因此,人尿有时被用作植物的肥料.(有关此内容的更多信息,请参阅科学伙伴科学项目的想法种植大花园:使用人尿作为肥料。)

在其他用途​​中,尿液中的营养素也可用于喂养微生物(微生物),如细菌。为什么这会有用?事实证明,在20世纪初,科学家们发现微生物可以发电,这是微生物燃料电池(或MFC)技术的基础。随着自然资源的枯竭,科学家的注意力已经转移到追求替代能源,例如MFCs,甚至比以前更多。

微生物燃料电池,也称为生物燃料电池,是可以利用微生物相互作用来发电的装置。它是一种可再生,清洁能源,使其非常吸引人.MFC具有阳极,<阴极和将两者分开的区域(称为)。阳极和阴极都是电极.电极是导电的东西,电流流入或流出。具体地,阳极具有流入其中的电,而阴极具有从其流出的电。因此,为了使MFC起作用,必须使电流流入阳极然后从阴极离开。这是如何完成的?

为了回答这个问题,我们将研究使用土壤中的微生物来发电的MFC。当你想到电力,以及如何在大自然中制造电力时,你可能会想到闪电和电鳗,尽管你可能不会想到微生物!但是某些类型的土壤细菌也可以帮助发电。这些细菌,称为产生细菌,包括 Shewanella 种,它们几乎存在于地球上的任何土壤中,如图1所示。和 Geobacter 物种,它们更喜欢生活在地下深处的土壤中,甚至不存在氧气的海洋中。这些细菌如何帮助发电?土壤细菌会吃掉土壤中的细菌,如微观营养素和糖类,反过来会产生释放回土壤的电子.电子是具有负电荷的亚原子粒子。这些电子可被利用并用于产生,这是一种能量形式。例如,如果灯泡有足够的电流以正确的方式流过它,灯泡就会亮起。


图1。这是希瓦氏菌属细菌的高倍放大图像,特别是物种.oneidensis中
的。细菌是在该图像中散布的圆柱形杆.(图像的其他部分是细菌被淹没的冰块,以拍摄这张照片。)(图片来源:PLoS Biology)

在使用这些土壤细菌的MFC中,阳极被埋在潮湿的土壤中。在那里,细菌繁殖并覆盖阳极(在其上产生生物膜),为其提供大量电子。同时,电子从阴极被带走。这是怎么发生的?当阳极埋在土壤中时,阴极位于土壤顶部,使其一侧完全暴露在空气中。来自阳极的电子向上行进到阴极,一旦它们与氧气(来自空气)和氢气(细菌在消化土壤中的营养物时产生)反应产生水。阳极埋得足够深,没有氧气,所以这种反应不能在阳极旁边发生。有关此过程的可视化,请参见图2。土壤中产生电子的土壤咀嚼细菌越多,MFC产生的电量就越多。

在微生物燃料电池内发生的化学反应图。
图2. 该图显示了微生物燃料电池(或MFC)中发生的反应,使其发电.(维基共享资源,2010,MFCGuy2010)

要评估MFC的整体性能,通常会确定其功率输出。这是通过测量连接到MFC的固定电阻上的电压来完成的,并且通过推导欧姆定律来计算功率,如公式1所示。

等式1:

  • P 瓦特(W)的力量,
  • V 电压(V)
  • R 欧姆(Ω)的电阻。

如果您使用多个不同的电阻,您可以生成功率电阻曲线,这样您就可以确定微生物燃料电池的最大功率输出,详见程序。当细菌开始从土壤中的食物中产生能量时,功率输出将随着时间的推移开始增加并最终达到稳定状态。

在这个环境科学项目中,您将研究如何在MFC中添加人尿以改变其电力输出。您是否会使用人体尿液感到震惊?不要 – 甚至美国宇航局已经尝试过使用尿液作为肥料!尿液实际上比较干净。事实上,没有膀胱和肾脏感染的个体膀胱中的人尿是无菌的。在排尿开始时,流动带有尿道中的任何细菌,清洁尿道,但污染尿液。虽然这意味着初始流动可能不是无菌的,但是中流尿液将是无菌的。正如我们所提到的,人体尿液不断大量生长,使其成为可再生资源,并且富含营养物质(主要是氮),细菌如希瓦氏菌 Geobacter 物种可以吃。并且在MFC土壤中的 Shewanella Geobacter 细菌越多,它产生的电力就越多。您认为如何在MFC中添加尿液会影响其输出功率?您是否认为需要增加一定量才能增加功率输出?是否有可能添加太多并导致细菌死亡?你可以在这个科学项目中提出各种有趣的问题;准备好了解一些答案!

术语和概念

  • 尿
  • 微生物
  • 细菌
  • 替代能源
  • 微生物燃料电池(MFC)
  • 可再生
  • 电极
  • 希瓦氏菌
  • 地杆菌
  • 电子
  • 电力
  • 电力输出
  • 电阻
  • 欧姆定律
  • Watt(W)
  • 电压(V)
  • 欧姆(Ω)
  • 无菌

问题

  • 人体尿液中细菌可以摄入哪些营养素?
  • MFC如何工作?
  • 土壤细菌如何帮助MFC发电?
  • 您认为如何在MFC中添加少量人尿会影响其输出功率?如何添加更多的尿液?

参考书目

这些资源将为您提供有关微生物燃料电池和使用废物产生电力的更多信息:

有关电子术语和使用电压表/万用表的更多信息,请使用本教程:


材料和设备 产品套件可用

这些特殊商品可以从我们的合作伙伴处购买 Home Science Tools :

  • 微生物燃料电池套件(1)。包括:
    • 微生物燃料电池容器(2)
    • 阳极(2)
    • 阴极(2)
    • 黑客委员会(2)
    • 电容器(2)
    • LED(2)
    • 由微生物燃料电池供电的数字时钟/温度计(1)
    • 七个电阻器
    • 鳄鱼夹和跨接线(2)
    • 数字万用表
    • 丁腈手套(1对)

您还需要收集这些项目(未包含在套件中):

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

推荐项目用品

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项目套件:79.95美元 View Kit

实验程序

科学博览会中的微生物燃料电池

使用微生物燃料电池涉及培养土壤细菌。因此,许多科学博览会,包括与国际科学与工程博览会(ISEF)相关的科学博览会都有在开始您的项目之前需要满足的要求。我们建议您:

  • 与您的老师或科学博览会协调员核实任何要求
  • 阅读科学伙伴微生物安全指南学习如何安全处理细菌

设置微生物燃料电池

您将组装两个相同的微生物燃料电池,其中包含相同的土壤材料。在手术后期,您将为每一个添加不同量的尿液并比较它们的功率输出。你认为更多的尿会导致更多的力量吗?

  1. 首先,观看视频或按照分步说明查看如何组装微生物燃料电池。

  1. 准备土泥。
    1. 将塑料滤网或滤锅放在一个大型搅拌碗上。
    2. 为每个微生物燃料电池测量总共约2杯(约500毫升[mL])土壤进入过滤器(总共4杯)。轻轻摇动碗上的过滤器,使土壤变形,从土壤中除去任何小的硬颗粒(如岩石,鹅卵石,树枝等)。你可能需要耐心;土壤拉紧可能需要几分钟。当你完成后,你应该在碗里有大约400克精细过筛的土壤。
      1. 重要的是从土壤中去除这些颗粒,因为它们可以使土壤充气并抑制所需的细菌生长(细菌不希望暴露在氧气中)。
    3. 加入蒸馏水并混合,直到你的表土泥感觉像饼干面团。如果泥浆太脆,可以加入更多的水,如果混合物感觉太湿,可以加入更多的表土。
    4. 当你准备好表土泥时,把它放在一边洗手。

  2. 小心地从包装盒中取出MFC碎片并将它们放好。确定不同的成分,并使用遮蔽胶带和永久性标记,用”1 mL尿液” 标记其中一个设备,另一个用”5 mL尿液” 标记。
  3. 戴上MFC附带的手套,开始组装第一个微生物燃料电池。
  4. 取出MFC电极附带的绿色和橙色电线。弯曲塑料部件末端的每根导线,使每根导线成90°角(形状像大写字母”L” ),如上面的视频所示。
  5. 从袋子中取出MFC阳极.(阳极是较薄的黑色毛毡状圆形。)
    1. 安全注意事项: MFC的阴极和阳极(其电极)由称为石墨纤维的导电材料制成。不要将阴极或阳极放在电子设备或电源插头附近,也不要将光纤分散在空气中,因为光纤在与电子设备接触时会导致电气短缺。
  6. 将绿线的金属部分拉直并小心地将其插入阳极,如图3所示。确保电线笔直,并且不会在阳极的顶部或底部突出。
将绿线插入微生物燃料电池的阳极。
图3. 将绿线的金属部分插入阳极圈。

  1. 使用阴极(较厚的黑色毛毡状圆圈)和橙色电线(比绿色电线短)重复步骤6和7。
  2. 取出您在步骤2中制备的泥土,并用它填充第一个容器,直至塑料容器上”1″ 旁边的线(标记1厘米[cm])。填充后,轻拍泥浆,使其表面光滑。
    1. 提示:您可能希望用旧报纸覆盖您正在处理的表面,以防止泥浆进入。
    2. 完成后,将手套上的泥浆冲洗干净(但不要将它们取下)。
  3. 将阳极放在容器中的泥浆顶部,如图4所示。
    1. 来自阳极的绿线应该粘在上面。绿线应该被困在泥里。
    2. 轻轻地将阳极压在泥浆上,使阳极下方没有气泡.注意:去除气泡很重要,因为被困氧气可以防止厌氧细菌生物膜的形成,并降低微生物燃料电池的功率输出。
添加到微生物燃料电池的阳极。
图4. 将阳极放在1厘米泥浆的顶部。

  1. 使用更多的泥土填充容器,直到”5″ 标记旁边的线(标记5厘米)。填充后,再次轻拍泥浆,使其表面光滑。
    1. 沿着容器的侧面运行绿线。
    2. 从手套上冲洗干净并擦干。
  2. 将阴极轻轻放在泥浆顶部,尽可能将其压平,如图5所示。
    1. 阴极的橙色线应从顶部伸出。
    2. 不要让任何泥浆或液体覆盖阴极顶部。
    3. 最好安排阴极,使其橙色线位于绿线左侧1-2厘米处。
    4. 让泥浆在容器中静置几分钟。然后小心地倒掉多余的液体。

添加阴极和阳极的微生物燃料电池充满泥浆。
图5. 将阴极添加到5厘米泥浆的顶部。

  1. 用干净的纸巾或抹布擦去容器边缘的泥浆。然后摘下手套。
  2. 取下白色塑料盖,将电线穿过盖子上的小孔。安排电线,使橙色电线在左侧,当盖子上的半圆形凹口朝向前方时,绿色电线在右侧。然后小心地将盖子卡在塑料容器上。
  3. 取出黑客板(小绿色电路)。将其连接到盖子的矩形凹口中.
  4. 找到黑客板上的”+” 和” – ” 端口(孔)。将阴极导线(橙色)插入”+” 端口,将阳极导线(绿色)插入” – ” 端口。
  5. 找到黑客板上的端口1和2。将蓝色电容器(带有两个较长金属插脚的小圆柱形物品)插入这些端口。蓝色电容器的较长插脚应进入端口1,较短的插脚应插入端口2. 注意:电容器的方向很重要。如果您反转短叉和长叉,它将无法工作,甚至可能损坏电容器。您可能需要稍微弯曲电容器的较长端,以便电容器的插脚很好地适合端口。
  6. 将电容器下方的红色LED插入端口5和6.(端口3和4将保持为空。)LED的较长插脚应进入端口5,较短的插脚应插入端口6. 注意: LED仅在以此方向插入时才起作用。如果您不小心翻转插脚,LED指示灯将不会亮起。您可能需要稍微弯曲LED的较长端,以便LED的插脚很好地适合端口。
  7. 确保电线,电容器和LED都安全到位。现在,MFC顶部的组装黑客板应该如图6所示。
完全组装的微生物燃料电池顶部的特写镜头。
图6。完成MFC及其黑客板的组装后,顶部应该与此图像中的顶部类似。

  1. 组装第一台MFC后,使用步骤2中剩余的预制土壤建立第二个微生物燃料电池。
  2. 一旦组装了两个微生物燃料电池,将MFC放置在室内,正常室温(约19-25摄氏度[C]或66-77°F [F]),在它们不会的地方不安.MFC应该在您设置后的整个时间内保持在同一位置,因为如果它们被移动,这可能会破坏细菌的生长。在黑客电路板上的红色LED开始闪烁之前需要3-7天,但在此之前您将开始进行测量,如下一节所述.注意:由于不同的细菌活动,温度变化会导致微生物燃料电池的功率输出发生变化。

测量功率输出和添加尿液

您将每天测量两个微生物燃料电池的功率输出。一旦功率输出似乎已稳定,您将为每个微生物燃料电池添加不同量的尿液。尿液应该改变MFC的功率输出。您如何看待MFC的功率输出会受到影响?

  1. 安装微生物燃料电池一天后,检查LED是否闪烁。最有可能的是,他们不会,但请检查以确保。观察LED指示灯2分钟,看它们是否闪烁。
    1. 如果其中一个或两个指示灯闪烁,表示每个指示灯闪烁的时间间隔为多少秒。
      1. 为此,请在LED指示灯闪烁时立即启动秒表,并在LED指示灯再次闪烁时停止秒表。
      2. 如果LED每5秒闪烁的次数超过一次,请不要在闪烁之间计时,而是每秒闪烁一次。计算10秒钟的时间间隔并计算LED在此期间闪烁的次数,然后将其除以10以获得每秒闪烁次数。
      3. 重复步骤1.a.i.或1.a.ii.两次,所以你总共有三个计数。
      4. 在表1中的数据表中记录实验室笔记本中每个MFC的结果。(如果您计算每秒闪烁次数,如步骤1.a.ii.,则将标题从”闪烁之间的秒数” 更改为”每秒闪烁。”)计算三个计数的平均值并记录下来。


闪烁之间的秒数
Day Count#1 Count#2 Count#3 Average
1
2
3
表1。每天检查两个MFC以查看LED是否闪烁。如果是,则记录每次闪烁之间经过的秒数(或每秒闪烁次数),进行三次单独计数。在实验室笔记本中的数据表中记录每个微生物燃料电池的结果。

  1. 接下来,使用微生物燃料电池套件附带的万用表测量两个MFC的功率输出。您可以观看下面的视频或按照分步说明进行操作。如果您需要使用万用表的帮助,请参阅Science Buddies参考如何使用万用表,以及万用表附带的说明。


    1. 要测量MFC的功率输出,请从黑客板上取下电容和LED。然后从”+” 端口取下橙色电线并将其插入端口3.这意味着橙色电线应位于端口3中,绿色电线仍应位于” – ” 端口,所有其他端口应为空.
    2. 在端口5和6之间放置一个电阻,如上面的视频所示。对于电阻器,方向无关紧要。
      1. MFC套件中有几个电阻器。从最大容量的电阻开始,这是一个4.7kΩ的电阻.(Ω,大写的希腊字母Omega,是欧姆的符号,用于测量电阻的单位.1千欧,或1kΩ,是1000欧姆。)
      2. 电阻器的值使用颜色编码的带标记。使用图7确定每个电阻的电阻。
        1. 提示:如果需要,您可以使用万用表确认任何电阻的电阻,方法是将其设置为测量电阻(通常为欧姆的”Ω” 符号)并连接万用表的引线。电阻器的导线末端。
         电阻图
        图7. 使用此电阻颜色表确定每个电阻的电阻。

      3. 将电阻器插入电源5分钟。
    3. 将电阻器插入电源5分钟后,使用万用表测量电阻器两端的电压。
      1. 确保万用表的黑色电线插入”COM” 端口,红色电线插入万用表的”VΩMA” 端口。
      2. 将万用表设置为测量直流电压。这标记为”V” ,旁边有一条直线。特别是将表盘转到”2000米” 。
      3. 将万用表的红色导线夹在插入端口5的电阻器金属线上。然后将万用表的黑色导线夹在插入端口6的电阻器金属线上,如视频所示。读取万用表的屏幕,查看电压是多少(以毫伏[mV]为单位)。
      4. 如果电压似乎稍微变化,例如在几秒钟内略微下降,请观察万用表上的读数几秒钟,直到它们稳定(并保持相同状态几秒钟)。使用稳定值。
        1. 如果读数在几秒钟后仍在变化,或者读数为0 mV,请确保所有电线都正确牢固地插入电路(阴极和阳极电线以及电阻器电线),断开连接万用表从电阻器引出,再过5分钟。然后重复步骤2.c。
      5. 在表2中的数据表中记录实验室笔记本中两种微生物燃料电池的结果。


      日期和时间:
      电阻(欧姆)

      电压(mV)

      功率(μW)
      4700
      2200
      1000
      470
      220
      100
      47
      表2。每天在您的实验室笔记本中,为每个微生物燃料电池创建一个这样的数据表来记录您的电压测量值。不要忘记记下开始在顶线进行测量的日期和时间。

    4. 断开万用表夹子与电阻器的连接。取下电阻器。
    5. 重复步骤2.b.-2.d.直到您使用套件中的所有电阻测试了MFC。从电阻值最大的电阻开始,以电阻值最小的电阻结束。
  2. 完成第一个MFC的电压测量后,将电线,电容和LED插回黑客板,如步骤16-18 在设置微生物燃料电池部分,重复第二个微生物燃料电池的电压扫描(步骤2和3)。
  3. 计算每个电阻器和两个微生物燃料电池的功率输出(以微瓦或μW为单位)。您可以使用欧姆定律的推导来计算,如​​简介,等式1所述。
    1. 注意:将电压测量值转换为功率输出测量值非常重要。功率输出取决于您使用的电阻,因此仅通过观察电压测量就无法确定MFC的性能。他们需要被转化为权力才能使他们有意义。
    2. 要使用公式1,您需要将电压读数从毫伏(mV)转换为伏特(V)。为此,将毫伏值除以1000以得到伏特。
      1. 例如,如果您的电压读数为45 mV,则等于0.045 V。
    3. 使用公式1,您的答案将以瓦特(W)为单位。通过将您的答案乘以1,000,000将瓦特转换为微瓦。
    4. 计算完毕后,记录实验室笔记本中数据表(如表2)中每个电阻的功率。

  4. 确定MFC的峰值功率是什么。
    1. 在两个微生物燃料电池的数据表中,查看使用每个电阻产生的功率。峰值功率是任何电阻产生的最高功率。
    2. 如果您想要对此进行可视化,您可以在图表上绘制当天的数据,将电阻器的电阻设置在x轴(水平轴)上,将电源设置在y轴(垂直轴)上两个MFCs。示例图如图8所示。
      1. 您应该看到一条曲线,峰值功率位于曲线顶部,如示例图所示。
    3. 在实验室笔记本中记下每天MFC的峰值功率,通过在数据表中圈选或突出显示该值。
    4. 虽然在这个科学项目中不会探讨,但您可能有兴趣知道峰值功率告诉您MFC的内阻是什么。提供峰值功率的电阻最接近MFC的内部电阻。这可能会随着时间的推移而改变。

使用微生物燃料电池显示电阻与功率的示例图。
图8. 此示例图显示了使用MFC电阻的可能功率输出数据。在此样本中,使用1kΩ电阻发现峰值功率,峰值功率约为45.5μW。

  1. 每天重复步骤1-5,直到看起来两个微生物燃料电池的功率输出(峰值功率)稳定。
    1. 每天在同一时间进行这些测量。这将限制影响结果的变量(例如温度变化)。
    2. 对于步骤1,LED开始闪烁需要3-7天。然而,即使LED永远不会闪烁,你仍然可以做这个科学项目;务必每天继续进行功率输出测量。
      1. 提示:请参阅常见问题解答部分,了解如果LED指示灯不闪烁或闪烁且意外停止时该怎么办闪烁。
    3. 对于步骤2,您应该看到功率输出缓慢增加。
      1. 对于每一天,为实验室笔记本中的每个MFC制作一个类似于表2的数据表,以记录您的结果并使用它们来确定峰值功率。
    4. 大约7-14天后,功率输出应稳定下来。
      1. 它可以稳定在10μW至200μW或更高的任何值。很大程度上取决于您使用的表土和其他因素。无论它稳定在哪里,都应该足够的力量至少每30秒闪烁一次LED。
        1. 提示:如果电量输出似乎很低,请参阅常见问题解答部分,了解有关检查和尝试的建议。
      2. 当稳定时,峰值功率连续至少三天不应超过约10%。
        1. 如果您的峰值功率变化稍微超过此值,请不要担心。如果它已经至少14天,并且当您绘制峰值功率时(如步骤6.d.iii。中所述),它看起来像是稳定的(意味着它不是逐渐增加或逐渐减少) ,那它已经足够稳定了。
        2. 记住这一点,如果它仍然看起来不像您的峰值功率稳定,请参阅常见问题解答部分,了解有关检查和尝试的建议。
      3. 提示:在为两个MFC收集数据时制作数据图表可以帮助您查看功率输出是否稳定。如果这样做,请将日期放在x轴上,并将每天的功率输出(峰值功率)放在y轴上。峰值功率似乎在稳定吗?
      4. LED闪烁之间的时间也应该稳定。

  2. 一旦看起来两个MFC的功率输出稳定,就应该小心地打开两个微生物燃料电池并将1 mL尿液加入一个MFC,另一个加入5 mL,一次滴一滴。
    1. 首先,收集你的尿液。这一步类似于在医生办公室收集尿液样本。
      1. 确保玻璃瓶及其盖子清洁。务必用水彻底冲洗罐子(去除任何可能对土壤细菌造成伤害的抗菌肥皂残留物),然后让它干燥后再用它来收集尿液。
      2. 小便进入厕所几秒钟(去掉任何受污染的尿液),然后将剩余的尿液清洗干净,大约25盎司。玻璃罐。中流尿应该是无菌的。有关原因的说明,请参阅​​简介。完成后,盖上罐盖。
        1. 注意:的如果您需要清洁罐子外面的任何溢出物,在使用任何清洁溶液之前确保盖子已经拧紧,这样它们就不会接触到罐子里的尿液样本,并且可能会损害MFC中的土壤细菌.
      3. 如果将尿液储存在冰箱中,您可以使用尿液长达一周。确保它有明确的标签并远离食物。当你想将尿液加入MFCs时,在室温下放置2-3小时,使其达到室温。

    2. 在开始治疗之前,像往常一样进行当天的测量。
    3. 然后,从黑客板上拔下阳极和阴极,小心地取下标有”1 mL尿液” 的第一个微生物燃料电池的盖子。
    4. 戴上手套,轻轻抬起阴极,注意阴极顶部不要弄泥。
      1. 安全注意事项:请记住,MFC的电极由称为石墨纤维的导电材料制成。不要将阴极放在电子设备或电源插头附近,也不要将光纤分散在空气中,因为光纤在与电子设备接触时会导致电气短缺。
    5. 使用干净的滴管或移液管吸取罐中的1 mL尿液。将尿液一次一滴地加入泥浆顶部,然后将其均匀地涂抹在泥浆表面.注意:1 mL尿液约等于20滴。
    6. 等待5分钟,让尿液稍微浸入泥中.(如果你立即将阴极放回泥浆上,阴极可能会吸收大部分尿液)。在重新组装MFC之前,再用干净的勺子将泥浆表面弄平。
    7. 然后按照”安装微生物燃料电池” 部分的说明,将MFC完全按照您的说法进行组装,以确保电线正确扭绞在一起,并且所有部件都正确地重新连接到黑客电路板。
      1. 具体而言,请按照上一节中的步骤16-18 进行操作。
      2. 阴极顶部不要弄泥。如果这样做,请小心擦拭,小心不要将其研磨成阴极。
    8. 在步骤7 c.-g之后重复尿液处理。与第二个微生物燃料电池,但这次添加5毫升尿液到土壤。您可能需要多次重新填充移液管。确保将尿液平均分布在泥浆表面。

  3. 在添加尿液后的第二天开始,每天重复步骤1-5,直到看起来两个微生物燃料电池的功率输出(峰值功率)再次稳定(如步骤6中所述)。在稳定后不久,功率输出可能会再次明显改变。
    1. 每天在同一时间进行这些测量。
    2. 对于每一天,每个MFC在您的实验室笔记本中制作如表2所示的数据表来记录您的结果并使用它们来确定峰值功率.注意:用于确定峰值功率的电阻可能会略有变化。如果发生这种情况,请在实验室笔记本中记下这一点。
    3. 根据您实验的确切条件 – 可能受您使用的土壤影响 – 输出功率可能需要几天到一周以上,以便在添加尿液后稳定。
      1. 当功率输出稳定时,峰值功率连续至少三天不会变化超过约10%。当”稳定” 时功率变化多少可取决于MFC产生的功率量。
      2. 总的来说,如果在加入尿液后约两周,并且至少在最后一周,峰值功率并未逐渐减少或增加,那么它可能已经足够稳定。
      3. 稳定后,功率输出可能会再次明显改变(每天稳定下降或增加)。
      4. 提示 的:在为每个MFC收集数据时绘制数据图表可以帮助您查看功率输出是否稳定。如果这样做,请将日期放在x轴上,将功率输出(峰值功率)放在y轴上。峰值功率似乎在稳定吗?
      5. LED闪烁之间的时间也应该稳定。

分析您的结果和持续探索

  1. 为每个微生物燃料电池制作两个数据图,一个显示功率输出随时间变化的情况,另一个显示LED闪烁频率随时间的变化情况。
    1. 对于显示功率输出随时间变化的图表,请设置在x轴上设置MFC后的天数和y轴上的峰值功率输出(以μW为单位)。
    2. 对于显示LED频率随时间闪烁的图表,请设置在x轴上设置MFC后的天数以及y轴上每秒闪烁的天数。
      1. 如果您在数据表中记录了闪烁之间的时间,则通过获取每天收集的闪烁之间的平均秒数数据并将此值除以1来计算,将其转换为每秒闪烁次数。例如,如果你的LED平均每15秒闪烁一次,1除以15是0.067,这是它每秒闪烁的次数。
  2. 分析您的图表。
    1. 添加尿液后,当两个MFC中LED的功率输出和频率发生了什么变化?功率输出是增加还是减少?它的变化有多大?
    2. 加尿后测量的稳定程度有多快?在加入尿液之前,当它们稳定下来时,它们是否比原来更高或更低?与含有5 mL尿液的另一种尿液相比,1 mL尿液的微生物燃料电池的功率输出稳定在哪里?
    3. 每个MFC的功率输出和闪烁频率何时最高?他们此时的峰值力量是多少?
    4. 根据您的结果,您认为使用尿液(和/或其他人类废物)来帮助发电是否可行?为什么或为什么不呢?

  3. 在您的实验的这一点上,有几种方法可以继续您的探索。以下是一些起点:
    1. 您可以尝试至少再重复一次整个实验。每次MFC的功率变化是否相似?
    2. 每次MFC稳定时,您可以尝试添加1 mL和5 mL尿液(或者在稳定后功率输出开始变化时)。在两种MFC中,每次添加尿液时,您是否看到功率发生变化?是否存在额外尿液不会改变功率输出的程度?
    3. 您可以重复整个实验,但这次使用更多的尿液(例如10 mL)。对于每次添加的初始尿量,您是否总是看到对功率输出产生积极影响,或者尿量是否会降低功率输出?如果是这样,为什么?
    4. 查看变体部分,了解更多有关进一步探索的建议。

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变体形式

注意:在开始新实验之前,请仔细清洁微生物燃料电池。我们建议使用自来水冲洗电极,同时轻轻揉搓(戴上手套),直到脏水流畅。也用自来水彻底冲洗容器。有关详细信息,请参阅常见问题解答的末尾。

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