膜在微生物燃料电池分隔材料中应用的研究进展.doc

膜在微生物燃料电池分隔材料中应用的研究进展????谢?珊?1，欧阳科?1，黎丽华2????（1.五邑大学化学与环境工程学院，广东?江门?529020；?2.深圳市宗兴环保科技有限公司，广东?深圳?518172）????摘?要：分隔材料是微生物燃料电池（MFC）中质子从阳极向阴极传递的必经通道，具有非常重要的作用，目前广泛采用的MFC?分隔材料是各种类型的膜材料。本文综述了近年来膜在?MFC?分隔材料中应用的研究现状，分析了质子膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多孔滤料等不同膜材料用作?MFC?分隔材料时的特性、离子传递机制及其优缺点，并对微生物燃料电池分隔材料未来发展的方向和面临的挑战进行了展望。????关键词：微生物燃料电池；分隔材料；膜；种类；离子传递机制????中图分类号：TQ028.8??文献标识码：A??文章编号：1000-3770(2011)08-0015-004????微生物燃料电池?（Microbial?fuel?cell，MFC）是一种利用微生物的催化作用将有机物中的化学能转化为电能的新型技术[1]，将?MFC?技术应用于废水处理，不但能够处理污水，而且能够收获电能，具有较好的应用前景和研究价值。目前关于?MFC?的研究主要集中在提高产电功率、降低装置成本、提升处理效果以及拓展?MFC?功能等方面，其中，关于?MFC分隔材料的研究与提高产电功率和降低装置成本密切相关，近年来逐渐开始受到研究者的关注。????传统微生物燃料电池通常由阳极室、阴极室和分隔材料3部分构成，在阳极室中，有机物在微生物的作用下分解产生电子和质子，电子通过外电路到达阴极形成电流；质子在电解质溶液中，通过分隔材料到达阴极；在阴极室中，在催化剂的作用下，电子、质子与电子受体反应，完成整个电化学过程[2]。分隔材料作为阳极室和阴极室之间的物理分隔，是质子传递的必经通道，对于生物电化学过程的完成具有非常重要的作用。目前广泛采用的?MFC?分隔材料是各种类型的膜材料，如质子膜、离子交换膜等。作为良好的?MFC分隔材料，这些膜需要具备以下特点[3]：不仅要有利于质子（或氢氧根离子）的自由迁移，而且要能够有效地阻隔底物和溶解氧的扩散，同时还应具备内阻小、抗生物降解能力强、价格低廉的优点。????本文综述了近年来膜在MFC?分隔材料中的应用情况和研究现状，分析了用作?MFC?分隔材料的膜的种类、性质及其特点，并对?MFC?分隔材料的未来发展方向及面临的挑战进行了展望。????1?MFC?分隔材料的种类及特性????研究表明，许多最初用于化工分离、污水处理和水质净化的膜材料都可以作为?MFC?的分隔材料，比如质子膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多孔滤料等。这些分隔材料的理化性质各不相同，对微生物燃料电池产电和长期稳定运行的影响也各异。????1.1?质子膜和阳离子交换膜????质子膜和阳离子交换膜是使用最广泛的?MFC分隔材料，质子膜理论上只允许质子通过，阳离子交换膜允许包括质子在内的所用阳离子通过。最早开始应用于?MFC?技术的质子膜是美国杜邦公司生产的?Nafion?膜[4]，Nafion?膜具有良好的质子扩散性能，但价格昂贵，不利于?MFC?技术的大规模应用，近年来人们开始用价格相对便宜的阳离子交换膜来取代质子膜。美国?MI?公司生产的?Ultrex?CMI?7000?膜是使用最广泛的阳离子交换膜，与?Nafion?膜相比，Ul-trex?CMI?7000?膜价格相对比较便宜，且抗污染能力更强，机械强度也更大，其缺点是内阻较大[5]。最近研究者又相继开发出?Hyflon?膜[6]和?Zirfon?膜[7]，并将其用在微生物燃料电池分隔材料上，研究发现，Hyflon膜的功率输出是Nafion膜的1.5～2倍[6]，而Zirfon膜的氧传递系数（k0）约为1.9×10-3cm·s-1[7]，比Nafion膜的氧传递系数（1.3×10-4cm·s-1[12]）略高。总体而言，阳离子交换膜具有离子交换能力较强、化学稳定性好、机械强度较大、耐腐蚀、抗生物降解的优点。????阳离子膜在?MFC?中的作用机制如下：MFC?的产电过程中，当一定量的电子在电场作用下通过外电路从阳极流入阴极时，就会有等量的阳离子（包括质子和金属阳离子）从阳极经阳离子交换膜进入阴极，从而保证?MFC?系统中电荷的平衡。为了降低系统本身的内阻，MFC?阳极基质中的金属离子（如钠离子、钾离子等）浓度通常较高，一般可以达到质子浓度的?105倍[8]。由于阳离子交换膜对质子的非特异选择性，大量金属阳离子将取代质子扩散进入阴极，使得MFC?阳极室和阴极室的?pH?发生偏移，阳极?pH?降低，阴极?pH?升高，最终的结果是产电