质子交换膜在微生物燃料电池中的应用

高田 鲍万飞

摘 要：微生物燃料电池系统（Microbial Fuel Cell，MFC）是将生物化学代谢能转化为电能的反应装置，它能够充分利用生物质资源，在降解污染物的同时产生电能[1]。由于其净化污水的同时还能产生电能，其资源化和能源化的发展潜力不可估量。微生物燃料电池从电池的组装和结构可以将MFCs分为双室型和单室型两类；根据产电原理的不同，MFC可分为3种类型：氢MFC、光能自养MFC、化能异养MFC；按电子传递方式不同可以分为无介体MFC和有介体MFC；按微生物分类，则分为纯菌MFC和混菌MFC。在环境保护和新能源开发急需改进的时代要求下，微生物燃料电池具有巨大的产业化前景。

关键词：微生物燃料电池；质子交换膜

文章编号：1004-7026（2018）01-0100-01 中国图书分类号：TM911.4 文献标志码：A

1 MFC工作原理及特点

微生物燃料电池使用微生物作为催化剂从可生物降解的有机和无机化合物直接产生电流的装置。通常，细菌在微生物燃料电池中用于发电，同时实现有机物或废物的生物降解。许多类型的废水已经成功使用微生物燃料电池处理，通过去除废水中的有机污染物，然后产生有价值的能量。微生物燃料电池以有机物作为燃料。在反应过程中，产生的电子被微生物捕捉并传递到电池阳极，电子由阳极通过外接电路转移到阴极，从而产生外部电流；同时，在阳极反应中还产生质子，透过质子交换膜转移到阴极。电子、氧化剂（催化剂）和质子生成还原产物，完成电池内部电荷的传递，实现系统中整个生物电化学过程和能量转化过程[2]。

在整个微生物燃料电池的反应系统中，通过活性微生物作为其催化剂，这也是微生物燃料电池的最大优势。阳极的氧化过程与阴极的还原过程并不是在两种反应物直接接触时发生，而是分别在阳极和阴极上进行的。由于微生物燃料电池不需要使用昂贵的化学催化剂，因此可以大大地降低微生物燃料电池整个系统的成本，微生物燃料电池还可以使用污水中的有机物等来产生电能，同时还能处理污水，解决一部分环境问题。微生物燃料电池阳极室内的活性微生物拥有自我更新和繁殖的能力，所以在微生物燃料电池不会出现一般化学催化剂固有的钝化现象。因此，微生物燃料电池不但可以实现连续不断的污水处理，同时还可以进行产电。这样说来，微生物燃料电池废水处理技术与传统的废水处理技术相比，具有相当大的优势。

2 质子交换膜

微生物燃料电池中，用于分隔阳极与阴极室并同时实现质子从阳极至阴极迁移的分离器被普遍认为是保证微生物燃料电池有效与可持续运行的最关键部件。质子交换膜因其较高的导电率和较低的内阻等优势，成为目前应用最普遍的微生物燃料电池分离器。

在燃料电池中使用最普遍的质子交换膜是全氟磺酸膜，如杜邦公司生产的Nafion膜系列。Nafion膜具有质子传导率高、化学稳定性好、力学性能较好等优点，但依然存在许多缺点，如氧渗透性高、热稳定性差、生物淤积、高温下失水严重、阻醇性能差等问题，从而限制了微生物燃料电池的性能及其推广应用。尽管研究人员尝试寻找更便宜的和更耐用的替代品，但Nafion膜仍然是最佳选择[3]。

对Nafion膜进行改性是提高微生物燃料电池性能的一条有效途径。最近，有很多研究聚焦于利用纳米微粒技术进行质子交换膜的改进。纳米复合材料膜是一种掺杂诸如SiO2，TiO2，ZrO2等纳米粒子成分的新型膜材料。

3 污水处理现状

城市废水含有大量的有机化合物，微生物燃料电池在废水处理过程中产生的电量可以将消耗大量电力充气活化污泥的常规处理过程中所需的电量减半。有机分子如乙酸脂、丙酸脂、丁酸脂可以彻底分解成二氧化碳和水。即微生物降解或氧化有机物，产生电子并通过一组呼吸酶在细胞内传递，以ATP形式为细胞提供能量，是一种利用微生物作为催化剂将有机质化学能转变为电能的新颖技术装备。微生物燃料电池可以在污水处理过程中增强生物电化学活性微生物的生长，因此具有良好的操作稳定性。目前，采用废物废水作为燃料的MFC还少有研究，如果能够很好地被MFC中的微生物所分解并且产生电能而不污染环境，那么就能使污染物由环境的负担变成一种资源，其独特的产能方式为实现解决能源危机和水污染问题提供新的思路[4]。微生物燃料电池的研究与应用开发涉及到从微生物、电化学到材料学和环境工程等科学领域的交叉，使污水、污泥、垃圾等環境污染物的治理有可能成为生物质能源的生产过程，展示了微生物燃料电池的广泛应用前景。

参考文献：

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