离子交换膜对微生物燃料电池产电性能的影响[范文]

摘要：微生物燃料电池（MFC）通常由阳极、阴极、离子交换膜（可以去除）三部分构成，是一种利用细菌降解生物质产生电能的装置。离子交换膜在MFC中主要用于分隔两极反应物质、传输质子和阻碍电子。离子交换膜对微生物燃料电池的产电性能和COD降解率会产生显著影响。

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MFC系统组成示意图

根据MFC启动及运行的情况，从6个反应器中筛选出运行性能较好的反应器。在同一个MFC中依次测试四种离子交换膜（Nafion、阳离子、阴离子、双极膜）和无膜状态下MFC的电化学特性和溶液化学性质。综合各项数据，对不同膜条件下的反应器性能做出如下结论：离子交换膜的使用能够增大MFC 内阻，降低MFC的最大功率密度和COD去除率，增加库伦效率和运行周期。无离子交换膜状态下，MFC的最大功率密度为521.7 mW/cm2，COD去除率为93.7 %，库伦效率为17.7 %，最大电压处持续时间10 h。离子交换膜状态下，MFC的最大功率密度为443.0 mW/cm2，COD去除率最高为86.9 %，库伦效率最高为45 %，最大电压处持续40 h。四种离子交换膜的库伦效率和COD去除率接近，库伦效率在40-45 %之间，COD去除率在85 %左右。阴离子交换膜MFC的功率密度（443.0mW/cm2）最高，双极膜MFC的功率密度（340.1 mW/cm2）最低。阴离子交换膜状态下MFC阳极pH较为稳定，Nafion膜状态下MFC阳极pH波动较大。

阳离子交换膜的传质机理

1.1  课题研究背景

随着全球化石能源的短缺以及在开采和使用过程中环境问题的凸显，可再生新能源走进了人们的视野。微生物燃料电池是一种可以实现能量转换及产能的新概念和装置，一方面可以实现有机废水的处理，另一方面可以将废水中的有机质能量转化成可利用的电能。因此，微生物燃料电池受到了世界各国的高度关注[1]。

微生物燃料电池中同时包含了生物学、电化学、反应工艺等复杂的过程。因此，关于微生物燃料电池的研究是环境科学与工程研究领域的一个崭新且富有挑战性的课题。尽管在该领域不断有新的发现和认识被报道，但迄今为止对微生物燃料电池还有许多关键科学和技术问题亟待研究者去发现。

离子交换膜的微观结构示意图

微生物燃料电池领域的研究科学家们一直在继续，其决定性的发展要归功于Rabaey等人，他们证实了利用葡萄糖的微生物燃料电池在不需要添加化学中介质的情况下，可以将功率密度提升两个数量级。Logan等[3]通过对比双室立方体和双瓶式反应器研究发现，当反应器内阻较大时，功率密度不受离子交换膜和底物的影响，是较大的内阻限制了能量的产生。2004年Liu等[1]研究发现，离子交换膜在双室反应器中既可以减少底物由阳极向阴极的转移，又可以阻止氧气由阴极向阳极的扩散，提高了反应器的库伦效率。

在离子交换膜应用于微生物燃料电池方面布鲁斯·洛根等人做了大量的研究。他们将不同的膜置于反应器中，通过交流阻抗法测定膜的内阻，研究发现，膜的内阻和最大功率间存在一定关系。在微生物燃料电池的研究中用的最多的离子交换膜是Nafion。但是Nafion价格较高、机械强度低。相比Nafion膜而言，简单的离子交换膜则便宜很多。因此研究者们开始寻求可以代替Nafion并且高效利用的离子交换膜。

双极膜传质机理

在微生物燃料电池中不仅离子交换膜的类型会对反应器的内阻产生影响，同时离子交换膜在系统中的组装方式也会影响整个体系的电荷传递。Liu等在2004年发现将Nafion膜通过高温热压的方式与阴极结合，其功率密度的产生与无膜系统相比会大大降低（262 mW/m2和494 mW/m2）。

最近的研究表明，在MFC介质中不仅存在质子，还有其他种类的带电离子（Na+、K+、NH4+、Ca2+和Mg2+）。当这些离子的浓度高于质子的105倍时会阻碍质子传递，优先传递这些离子，导致阴极室的pH值增加和输出电压降低[3]。MFC中的磷酸盐阴离子的浓度通常很高，因此在设计实验时考虑使用阴离子交换膜（anion exchange membrane,简称AEM）来传输质子。其它的一些对荷电离子可以透过的膜也可以用于MFC中分隔两极室间的溶液，类似的有超滤膜，但超滤膜通常表现出较高内阻 [3]。但对于不同膜在双室空气阴极立方体反应器中的表现性能尚且没有系统的研究。为了深入了解离子交换膜对微生物燃料电池的作用机理以及产电性能的影响，本论文对微生物燃料电池中不同离子交换膜应用条件下的产电性能和有机物降解能力进行了深入的研究。

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