Page 180 - 《精细化工》2023年第1期

·172· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

式中：U 为电压，V；R 为 MFC 的负载电阻，Ω； 因而可有效提高膜的质子传导性，进而提高 MFC 的
W 为产电量，J。 产电能力和水处理效果。
为了进一步探索质子交换膜改性对 MFC 极化 实验中还观察到，运行结束后的膜表面聚集了
和发电特性的影响，采用变电阻法测定 MFC 的极化 一层污染物，这主要是反应过程中膜吸附微生物及
曲线和功率密度曲线。在 MFC 运行达到稳定的 3 d 其代谢物、有机物、无机物等物质造成的。使用后
左右，通过变阻箱在 9000~100 Ω 的范围内调整 MFC 的膜可以通过清洗等方式去除表面污染物，但普通
的负载电阻，记录不同负载下的输出电压，并计算 NF 膜因直接接触污染物，清洗后仍残留部分污染
对应产电电流密度，进而得到极化特性曲线；然后， 物，而改性膜清洗后基本无污染物残留。这说明改
根据测量电压、外接电阻及电极面积计算 MFC 的产电 性剂形成的钝化膜对膜污染有较好的抵御作用。
2
功率密度（W/m ），并绘制 MFC 的功率密度曲线。 2.2 吸水率分析
1.4.3 净水效果测试 质子通过膜进行传输需要大量的水分 [30] ，因此，
采用快速 COD 测试仪分别对 MFC 的进水 COD 膜的质子传导能力通常随其吸水率的增加而增加。
（COD in ，mg/L）和出水 COD（COD out ，mg/L）进 NF、PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/OPD-NF 质子交
行测量，则 MFC 运行一定时间后的 COD 去除率 换膜的吸水率测试与计算结果如表 1 所示。由表 1
（COD rr ，%）按式（3）计算： 可以看出，NF、PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/OPD-
COD  COD NF 质子交换膜的吸水率分别为 6.41%、10.47%、
COD /% = in out  100 （3）
rr
COD in 12.57%和 14.49%。经过改性的质子交换膜的吸水率
相较于 NF 质子交换膜都有显著的提高，其中 PVA/
2 结果与讨论 OPD-NF 质子交换膜的吸水率最高，较 NF 质子交换
膜提高了 126.05%。这说明 PVA/OPD 改性方法有效
2.1 SEM 分析
提高了膜的吸水率。这对加速质子传递、改善膜的
NF 、 PVA-NF 、 PVA/PWA-NF 、 PVA/OPD-NF
导电性和稳定性是有益的，因而可以提高膜对质子
质子交换膜的 SEM 图如图 2 所示。
的传递能力，将改善 MFC 的产电性能和水处理效果。

表 1 不同质子交换膜的吸水率
Table 1 Water uptake of different proton exchange membranes
NF PVA-NF PVA/PWA-NF PVA/OPD-NF
m 1/g 3.65 4.01 4.30 4.82
m 0/g 3.43 3.63 3.82 4.21
A/% 6.41 10.47 12.57 14.49

2.3 产电性能分析
NF、PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/OPD-NF 质
子交换膜的 MFCs 输出电压变化曲线如图 3 所示。

a—NF；b—PVA-NF；c—PVA/PWA-NF；d—PVA/OPD-NF
图 2 4 种不同质子交换膜的 SEM 图
Fig. 2 SEM images of four kinds of different proton
exchange membranes

由图 2a~d 可知，NF 表面相对光滑，且没有明
显的空隙，比表面积相对较小，因而质子传导率也
较低 [29] 。添加 PVA 所制成的 PVA-NF 复合膜表面较
平滑、紧密，且呈现出少量非均匀分布的颗粒点，

比表面积较 NF 有所增大，因而对提高质子传导率 图 3 MFCs 的输出电压
有一定作用。PVA/PWA-NF、PVA/OPD-NF 复合膜 Fig. 3 Output voltage of MFCs

都出现了分布较均匀且密集的表面凸状物，表面粗 由图 3 运行结果可以看出，采用 NF 质子交换
糙度明显增大，表明 PWA 和 OPD 能够较好地附着 膜的 MFC 在运行 65 h 左右时到达了基本稳定状态，
在 NF 膜表面，显著增大了膜的比表面积和孔隙率， 稳定电压约为 0.09 V；采用 PVA-NF 质子交换膜的