質(zhì)子交換膜在微生物燃料電池中的應(yīng)用

高田 鮑萬(wàn)飛

摘 要：微生物燃料電池系統(tǒng)（Microbial Fuel Cell，MFC）是將生物化學(xué)代謝能轉(zhuǎn)化為電能的反應(yīng)裝置，它能夠充分利用生物質(zhì)資源，在降解污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能[1]。由于其凈化污水的同時(shí)還能產(chǎn)生電能，其資源化和能源化的發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?。微生物燃料電池從電池的組裝和結(jié)構(gòu)可以將MFCs分為雙室型和單室型兩類(lèi)；根據(jù)產(chǎn)電原理的不同，MFC可分為3種類(lèi)型：氫MFC、光能自養(yǎng)MFC、化能異養(yǎng)MFC；按電子傳遞方式不同可以分為無(wú)介體MFC和有介體MFC；按微生物分類(lèi)，則分為純菌MFC和混菌MFC。在環(huán)境保護(hù)和新能源開(kāi)發(fā)急需改進(jìn)的時(shí)代要求下，微生物燃料電池具有巨大的產(chǎn)業(yè)化前景。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；質(zhì)子交換膜

文章編號(hào)：1004-7026（2018）01-0100-01 中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 MFC工作原理及特點(diǎn)

微生物燃料電池使用微生物作為催化劑從可生物降解的有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物直接產(chǎn)生電流的裝置。通常，細(xì)菌在微生物燃料電池中用于發(fā)電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物或廢物的生物降解。許多類(lèi)型的廢水已經(jīng)成功使用微生物燃料電池處理，通過(guò)去除廢水中的有機(jī)污染物，然后產(chǎn)生有價(jià)值的能量。微生物燃料電池以有機(jī)物作為燃料。在反應(yīng)過(guò)程中，產(chǎn)生的電子被微生物捕捉并傳遞到電池陽(yáng)極，電子由陽(yáng)極通過(guò)外接電路轉(zhuǎn)移到陰極，從而產(chǎn)生外部電流；同時(shí)，在陽(yáng)極反應(yīng)中還產(chǎn)生質(zhì)子，透過(guò)質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極。電子、氧化劑（催化劑）和質(zhì)子生成還原產(chǎn)物，完成電池內(nèi)部電荷的傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中整個(gè)生物電化學(xué)過(guò)程和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程[2]。

在整個(gè)微生物燃料電池的反應(yīng)系統(tǒng)中，通過(guò)活性微生物作為其催化劑，這也是微生物燃料電池的最大優(yōu)勢(shì)。陽(yáng)極的氧化過(guò)程與陰極的還原過(guò)程并不是在兩種反應(yīng)物直接接觸時(shí)發(fā)生，而是分別在陽(yáng)極和陰極上進(jìn)行的。由于微生物燃料電池不需要使用昂貴的化學(xué)催化劑，因此可以大大地降低微生物燃料電池整個(gè)系統(tǒng)的成本，微生物燃料電池還可以使用污水中的有機(jī)物等來(lái)產(chǎn)生電能，同時(shí)還能處理污水，解決一部分環(huán)境問(wèn)題。微生物燃料電池陽(yáng)極室內(nèi)的活性微生物擁有自我更新和繁殖的能力，所以在微生物燃料電池不會(huì)出現(xiàn)一般化學(xué)催化劑固有的鈍化現(xiàn)象。因此，微生物燃料電池不但可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的污水處理，同時(shí)還可以進(jìn)行產(chǎn)電。這樣說(shuō)來(lái)，微生物燃料電池廢水處理技術(shù)與傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)相比，具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

2 質(zhì)子交換膜

微生物燃料電池中，用于分隔陽(yáng)極與陰極室并同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)子從陽(yáng)極至陰極遷移的分離器被普遍認(rèn)為是保證微生物燃料電池有效與可持續(xù)運(yùn)行的最關(guān)鍵部件。質(zhì)子交換膜因其較高的導(dǎo)電率和較低的內(nèi)阻等優(yōu)勢(shì)，成為目前應(yīng)用最普遍的微生物燃料電池分離器。

在燃料電池中使用最普遍的質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，如杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜系列。Nafion膜具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，但依然存在許多缺點(diǎn)，如氧滲透性高、熱穩(wěn)定性差、生物淤積、高溫下失水嚴(yán)重、阻醇性能差等問(wèn)題，從而限制了微生物燃料電池的性能及其推廣應(yīng)用。盡管研究人員嘗試尋找更便宜的和更耐用的替代品，但Nafion膜仍然是最佳選擇[3]。

對(duì)Nafion膜進(jìn)行改性是提高微生物燃料電池性能的一條有效途徑。最近，有很多研究聚焦于利用納米微粒技術(shù)進(jìn)行質(zhì)子交換膜的改進(jìn)。納米復(fù)合材料膜是一種摻雜諸如SiO2，TiO2，ZrO2等納米粒子成分的新型膜材料。

3 污水處理現(xiàn)狀

城市廢水含有大量的有機(jī)化合物，微生物燃料電池在廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的電量可以將消耗大量電力充氣活化污泥的常規(guī)處理過(guò)程中所需的電量減半。有機(jī)分子如乙酸脂、丙酸脂、丁酸脂可以徹底分解成二氧化碳和水。即微生物降解或氧化有機(jī)物，產(chǎn)生電子并通過(guò)一組呼吸酶在細(xì)胞內(nèi)傳遞，以ATP形式為細(xì)胞提供能量，是一種利用微生物作為催化劑將有機(jī)質(zhì)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男路f技術(shù)裝備。微生物燃料電池可以在污水處理過(guò)程中增強(qiáng)生物電化學(xué)活性微生物的生長(zhǎng)，因此具有良好的操作穩(wěn)定性。目前，采用廢物廢水作為燃料的MFC還少有研究，如果能夠很好地被MFC中的微生物所分解并且產(chǎn)生電能而不污染環(huán)境，那么就能使污染物由環(huán)境的負(fù)擔(dān)變成一種資源，其獨(dú)特的產(chǎn)能方式為實(shí)現(xiàn)解決能源危機(jī)和水污染問(wèn)題提供新的思路[4]。微生物燃料電池的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)涉及到從微生物、電化學(xué)到材料學(xué)和環(huán)境工程等科學(xué)領(lǐng)域的交叉，使污水、污泥、垃圾等環(huán)境污染物的治理有可能成為生物質(zhì)能源的生產(chǎn)過(guò)程，展示了微生物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Catal T， Li K，Bermekc H et al. Electricity Production from Twelve Saccharides Microbial Fuel Cells[J]. Power Sources， 2007， 175：196-200.