Page 178 - 《精细化工》2023年第1期

·170· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

微生物燃料电池（MFC）利用微生物降解有机 1 实验部分
物实现废水处理与同步发电，为抗生素废水的高效
处理提供了一条新途径 [1-2] 。共存于 MFC 的微生物 1.1 试剂与仪器
代谢和电化学氧化还原反应相结合，在去除废水抗 H 2 O 2 （质量分数为 30%）、浓 H 2 SO 4 （质量分数
生素方面具有巨大潜力 [3-5] ，且抗生素降解产生的电 为 98%）、无水乙醇、甲醇，AR，天津市永大化学
[6]
子介质有利于提高 MFC 产电性能 。 试剂公司；丙酮、NaHCO 3 、NH 4 Cl、NaH 2 PO 4 •H 2 O、
Na 2 HPO 4 •12H 2 O 、 KCl 、 MgSO 4 •7H 2 O 、 CaCl 2 、
MFC 的运行性能受温度、进料等诸多因素影
MnSO 4 •H 2 O、K 3 [Fe(CN) 6 ]、K 2 HPO 4 •3H 2 O、KH 2 PO 4 、
响。作为质子传递介质及分隔阳极室与阴极室的重
NaCl、OPD、PWA、葡萄糖，AR，天津市大茂化学
要部件，质子交换膜是影响微生物燃料电池性能的
[7]
重要因素之一 。Nafion 膜因具有质子电导率高、 试剂公司；PVA（型号 1788），AR，玛雅试剂有限
公司；Nafion 117，美国杜邦公司；碳毡（4 cm×5 cm，
化学稳定性好、力学性能佳等优点，已成为目前
WOS1002），碳能科技股份有限公司。
MFC 最常用的膜材料，但其仍存在透氧性高、热稳
[8]
定性差、生物沉积、高温失水严重等问题 。目前， ZX75 可变电阻箱,上海精密仪器仪表有限公
司；MPS-010602 数据采集卡，北京启创莫非电子科
膜改性是提高 MFC 性能最常用的一种简便方法，其
技有限公司；JSM-6360LV 扫描电子显微镜，日本电
可以有效提高膜的质子导电性和保水性，降低 MFC
子株式会社；CHI660E 电化学工作站，上海辰华仪
的内阻，进而提高其发电性能和废水处理效果。因
器有限公司；LH-NP2 快速 COD 测试仪，杭州陆恒
而，研究者提出许多膜改性方法，包括在质子交换
生物有限公司。
膜中掺杂纳米颗粒、纳米纤维、有机和无机颗粒制
1.2 系统构成
备杂化膜；使用一些芳香族聚合物，如聚醚酮、聚 搭建的双室 MFC 系统如图 1 所示。
醚砜 [9-10] 、聚苯并咪唑等制备共混膜 [11-13] ；在膜中
沉积金属氧化物制备金属复合膜等 [14-15] ，不同程度
地改进了质子交换膜的性能。聚乙烯醇（PVA）是
一种制备工艺成熟、成本低、化学稳定性好的聚合
物，具有良好的成膜性、柔韧性、亲水性、生物相
容性及耐溶剂性 [16] ，而且无毒、无味、无害，已广
泛应用于渗透汽化、污水处理等领域 [17] 。PVA 主链
含有大量羟基，为进一步改性提供了便利条件，因
此，在燃料电池领域得到了应用 [18] 。然而，由于 PVA
分子链上的羟基过多，直接成膜后易在水中溶胀甚
至溶解，因而纯 PVA 膜存在机械强度不够、耐水性
能差等问题 [19] 。此外，由于 PVA 本身没有足够的负
电荷离子，其质子导电性较差，因而纯 PVA 膜属于
不良的质子导体 [20] 。杂多酸和芳香族化合物是比较 图 1 MFC 实验系统
常用的改性物质。磷钨酸（PWA）是一种具有高催 Fig. 1 Experimental system of MFC

化活性的杂多酸，亲水性、稳定性和质子导电性良 双室 MFC 由阳极室、阴极室、质子交换膜及阳
好，且具有氧化还原性 [21-24] ，是比较成熟的改性物 极和阴极组成。阳极室和阴极室由等规格的有机玻
质。邻苯二胺（OPD）作为一种苯胺衍生物，具有
璃制成，单腔室有效容积为 450 mL，并通过质子交
价格低廉、热稳定性好、制备简单、电学性能好等 换膜（10 cm×10 cm，Nafion 117）分隔开。阳极和
优势，很容易与其他材料产生有效的改性作用，形 阴极均采用碳毡（4 cm×5 cm）。可变电阻箱作为
成稳定的钝化膜，从而增强质子交换膜的耐腐蚀性、 MFC 的负载电阻。负载输出电压通过数据采集卡进
电化学稳定性及整体性价比 [25-27] 。 行采集，并通过 USB 接口传送至终端计算机进行存
综合考虑 PVA 成膜性好的优势及 PWA 的高催 取、处理和显示。实验过程中，阳极室始终保持厌
化活性、OPD 的高导电性和高稳定性，本文拟将 PVA 氧状态，阴极室保持好氧状态，负载电阻保持 1000 Ω。
分别与 PWA、OPD 共混对 Nafion 膜进行修饰，通 1.3 制备方法
过对比获得高性价比的改性膜，从而进一步提高 1.3.1 阳极基质的配制
MFC 的性能。 采用制药废水作为 MFC 的阳极培养液及反应