Page 181 - 《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 ·173·

MFC 的最大输出电压为 0.26 V，稳态电压约为 表 2 不同质子交换膜的 MFCs 的产电量
0.16 V，但稳定性较差，输出电压全程波动明显， Table 2 Generated energy of MFCs with different proton
exchange membranes
这可能是因为只采用纯 PVA 而未添加其他稳定性更
NF PVA-NF PVA/PWA-NF PVA/OPD-NF
强的物质进行改性造成的；采用 PVA/PWA-NF 质子
产电量/J 14.80 39.71 62.64 101.75
交换膜的 MFC 在约 85 h 时达到最大输出电压
产电量提高/% 0 168.31 323.24 587.50
0.39 V，稳态电压约 0.21 V，稳定性有所提高；采
用 PVA/OPD-NF 质子交换膜的 MFC 在启动约 65 h
2.4 极化曲线分析
后，产电输出电压便趋于稳定，最大输出电压为
不同 MFCs 的极化特性曲线如图 4 所示。极化
0.44 V，稳态电压约为 0.30 V，且产电电压随反应
曲线的斜率反映了 MFC 内阻的大小。拟合结果显
过程的延续没有大幅度下降趋势，能够基本保持稳
示，采用 PVA/OPD-NF 质子交换膜的 MFC 的极化
定 运行。 对比 运行结 果可 以明显 看出 ，采 用
曲线斜率明显低于使用 NF、PVA-NF、PVA/PWA-NF
PVA/OPD-NF 质子交换膜的 MFC 启动时间最短、产
质子交换膜的 MFCs 的斜率。这说明，PVA/OPD 修
电电压最大。此外，从运行数据还可以得出，采用
饰质子交换膜在某种程度上降低了 MFC 的内阻，而
PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/OPD-NF 质子交换膜
内阻的降低意味着电压损耗的降低，进而提高了
的 MFCs 的稳态输出电压分别约有 25.8%、57.9%和
23.1%的波动幅度，说明 PVA/OPD-NF 质子交换膜 MFC 的产电输出效率。另一方面，从极化曲线还可
的电化学稳 定性是 3 种改性膜中 最好的，而 以看出，在相同的产电电流下，采用 PVA/OPD-NF
PVA/PWA-NF 质子交换尽管产电电压高于 PVA-NF 质子交换膜的 MFC 的输出电压始终高于采用其他 3
质子交换，但其稳定性是 3 种改性膜中最差的。采 种质子交换膜。极化曲线越“高”，总电压损耗就越
用 PVA/OPD-NF 质子交换膜的 MFC 总体产电性能 小。这进一步证明 PVA/OPD 改性效果是最佳的。
明显优于采用 PVA-NF、PVA/PWA-NF 及 NF 质子交
换膜的 MFCs，说明改性材料 OPD 的运用对质子交
换膜的质子透过能力起到了较好的促进作用，改性
材料的导电性和稳定性是影响质子交换膜改性效果
的重要因素。
微生物降解废水有机物并产生电能的生化反应
过程会受温度、微生物活性、有机物浓度等因素的
影响。由于实验是在东北冬季常温实验室进行，昼
夜温差较大，导致反应速率不稳定，引起输出电压
的波动。随着生化反应的持续进行，微生物逐渐进
入衰亡期，废水有机物含量逐渐降低，产电电压会
图 4 MFCs 的极化曲线
逐渐呈下降趋势。要保持 MFC 的持续稳定运行，需
Fig. 4 Polarization curves of MFCs
要及时补充或更换活性微生物、废水等材料。
MFC 运行 150 h 的发电情况如表 2 所示。由表 采用不同质子交换膜的 MFCs 的功率密度曲线
2 可以看出，采用 NF、PVA-NF、PVA/PWA-NF、PVA/ 如图 5 所示。
OPD-NF 质子交换膜的 MFCs 在测试周期内所产电
量分别为 14.80、39.71、62.64、101.75 J，采用
PVA-NF、PVA/PWA-NF 和 PVA/OPD-NF 质子交换
膜的 MFC 的产电量分别比采用 NF 质子交换膜的
MFC 提高了 168.31%、323.24%、587.50%。采用
PVA/OPD-NF 质子交换膜的 MFC 的产电量分别较
采用 NF、PVA-NF 和 PVA/PWA-NF 质子交换膜的
MDCs 提高了 587.50%、156.23%和 62.44%，说明采
用 PVA 进行膜改性对提高 MFC 产电能力有一定作
用，PWA、OPD 是有效的膜改性材料，能够进一步
提高膜改性效果，而采用 PVA/OPD 复合材料进行
质子交换膜改性对提高 MFC 的产电能力具有更加 图 5 MFCs 的功率密度曲线
显著的效果。 Fig. 5 Power density curves of MFCs