Page 179 - 《精细化工》2023年第1期

第 1 期 樊立萍，等: PVA/OPD 改性膜对微生物燃料电池性能的影响 ·171·

基质。制药废水通过以下实验药品（均为质量浓度） 后续实验使用。
配制而得：0.200 g/L 阿莫西林、3.130 g/L NaHCO 3 、 称取 3 份 10 g PVA，分别加入 50 mL 去离子水
0.310 g/L NH 4 Cl、6.338 g/L NaH 2 PO 4 •H 2 O、6.856 g/L 中，置于磁力搅拌器上分别连续搅拌 2 h，得到 3 份
Na 2 HPO 4 •12H 2 O 、 0.130 g/L KCl 、 0.200 g/L PVA 溶液。称取 10 g PWA，用 50 mL 去离子水溶解，
MgSO 4 •7H 2 O、0.015 g/L CaCl 2 、0.010 g/L MnSO 4 • 得到 PWA 溶液；称取 10 g OPD，加入 50 mL 无水
H 2 O 和 4.000 g/L 葡萄糖。 乙醇溶解，得到 OPD 溶液。取 2 份 PVA 溶液，分
1.3.2 微生物的培养 别与 PWA 溶液和 OPD 溶液混合并用去离子水定容
电活性微生物对 MFC 的生物电化学过程起着 至 200 mL，搅拌 2 h，分别得到 PWA 和 OPD 质量
至关重要的作用。研究发现，混菌 MFC 的产电效果 分数均为 5%的 PVA/PWA 和 PVA/OPD 混合液；另
1 份 PVA 溶液用去离子水定容至 200 mL，作为 PVA
与运行稳定性均优于纯菌 MFC，混菌中不同功能的
改性液。
微生物相互协同与竞争，可将复杂底物降解得更加
66.66 mL 甲醇与 133.34 mL 去离子水混合，得
完全，因而有利于提升 MFC 的产电性能和废水处理
效果 [28] 。环境中存在大量具有电化学活性的细菌， 到体积比为 1∶3 的甲醇水溶液。将预处理过的 3 张
NF 放入该甲醇溶液中浸泡 1 h，以使其表面溶胀。
如富含微生物的海底沉积物、厌氧活性污泥等。因
取出 1 张溶胀膜放入 PVA 溶液中，室温下浸泡 21 h；
此，本研究通过活性污泥驯化获取阳极室的产电菌。
取出另 2 张溶胀膜分别放入 PVA/PWA 混合液和
活性污泥取自沈阳南部污水厂。100 mL 质量浓度为
PVA/OPD 混合液中，55 ℃恒温浸泡 21 h；然后，
0.2 g/L 的阿莫西林废水与 20 mL 质量浓度为 5000 用去离子水洗掉表面杂质，放入 60 ℃烘箱烘干至
mg/L 的活性污泥分散液添加到培养瓶，置于生化培 恒重，分别得到 PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/OPD-
养箱，30 ℃恒温下保持厌氧条件培养 3 d 左右。当 NF 复合膜，取出备用。
培养瓶中出现明显的悬浮絮凝物时，可以认为微生 1.4 主要测试方法
物培养成功，即可用移液器将含有产电菌的厌氧发 1.4.1 膜特性测试
酵液移入阳极室。 膜的特性通过 CV、EIS、SEM 图、吸水率等指
1.3.3 阴极液的制备 标进行测试。膜表面形貌通过 SEM 进行测试。CV
将 65.8 g K 3 [Fe(CN) 6 ]溶于 1 L 磷酸盐缓冲溶液 曲线和 EIS 谱图通过三电极电化学工作站测得。三
（PBS，pH 7.3）中，得到 0.2 mol/L K 3 [Fe(CN) 6 ]溶 电极体系由工作电极、参比电极、辅助电极（对电
液；在另一个烧杯中放入 23.4 g NaCl，用 1 L 去离 极）构成。测试时，以 MFC 阳极为工作电极，MFC
子水溶解，配制成 0.4 mol/L NaCl 溶液；然后，将 阴极为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电
上述 K 3 [Fe(CN) 6 ]溶液和 NaCl 溶液按照 1∶1 的体积 极。CV 扫描的电位范围为–0.6~0.6 V，正向扫描，
比进行混合，得到 MFC 的阴极电解液。 扫描速率为 0.01 V/s。EIS 在–0.1 V 的极化电位下进行
5
测试，扫描频率范围为 1~1.0×10 Hz，正弦波扰动信
1.3.4 电极的预处理
号的振幅为 5 mV。所有测试均在室温下进行。
首先，将碳毡放入丙酮中浸泡 2 h，以去除表面
质子交换膜的吸水性能直接关系到 MFC 的发
油脂等有机杂质，取出后用去离子水反复冲洗，去
电性能。膜的吸水率越高，其导电性和稳定性就越
除碳毡中吸收的丙酮；然后，将上述碳毡放入去离
好。将清洗后烘干至恒重的膜的质量记为 m 0 （g）；
子水中浸泡过夜；最后，置于真空干燥箱中 65 ℃
室温下，将该膜置于去离子水中浸泡 24 h，取出后
干燥 2 h，备用。
立即用滤纸将其表面擦干，然后称其质量，记为 m 1
1.3.5 改性膜的制备
（g），则膜的吸水率（A，%）按式（1）计算：
首先，对 Nafion 117 进行预处理，制备常规 m  m
Nafion 膜（NF）。将 3 张 10 cm×10 cm Nafion 117 A /%  1 m 0  100 （1）
膜放入预先配制好的质量分数为 5%的 H 2 O 2 溶液中 1.4.2 产电性能测试 0
（33.3 mL H 2 O 2 定容至 200 mL），在 80 ℃下水浴加 MFC 的产电性能通过产电输出电压进行监测。
热 1 h，去除膜上的有机杂质；取出后用去离子水反 数据采集卡直接采集 MFC 的输出电压并通过终端
复冲洗干净，然后放入 300 mL 去离子水中浸泡 计算机进行存储与处理。为了更有效地对比 MFC 在
30 min；随后，置于 1 mol/L H 2 SO 4 溶液（10.87 mL 不同条件下的产电能力，可对其产电量进一步计算
H 2 SO 4 定容至 200 mL），在 80 ℃下水浴加热 1 h， 与对比。考虑 MFC 的输出电压是时变的，其运行 t
取出后用去离子水反复冲洗 3 次，再将其放入 （h）后的输出电量可按式（2）计算：
300 mL 去离子水浸泡 30 min，洗掉金属离子杂质， t U 2
W   dt （2）
得到常规 NF，放入 300 mL 去离子水中浸泡，以备 0 R