質子交換膜在微生物燃料電池中的應用

高田 鮑萬飛

摘 要：微生物燃料電池系統（Microbial Fuel Cell，MFC）是將生物化學代謝能轉化為電能的反應裝置，它能夠充分利用生物質資源，在降解污染物的同時產生電能[1]。由于其凈化污水的同時還能產生電能，其資源化和能源化的發展潛力不可估量。微生物燃料電池從電池的組裝和結構可以將MFCs分為雙室型和單室型兩類；根據產電原理的不同，MFC可分為3種類型：氫MFC、光能自養MFC、化能異養MFC；按電子傳遞方式不同可以分為無介體MFC和有介體MFC；按微生物分類，則分為純菌MFC和混菌MFC。在環境保護和新能源開發急需改進的時代要求下，微生物燃料電池具有巨大的產業化前景。

關鍵詞：微生物燃料電池；質子交換膜

文章編號：1004-7026（2018）01-0100-01 中國圖書分類號：TM911.4 文獻標志碼：A

1 MFC工作原理及特點

微生物燃料電池使用微生物作為催化劑從可生物降解的有機和無機化合物直接產生電流的裝置。通常，細菌在微生物燃料電池中用于發電，同時實現有機物或廢物的生物降解。許多類型的廢水已經成功使用微生物燃料電池處理，通過去除廢水中的有機污染物，然后產生有價值的能量。微生物燃料電池以有機物作為燃料。在反應過程中，產生的電子被微生物捕捉并傳遞到電池陽極，電子由陽極通過外接電路轉移到陰極，從而產生外部電流；同時，在陽極反應中還產生質子，透過質子交換膜轉移到陰極。電子、氧化劑（催化劑）和質子生成還原產物，完成電池內部電荷的傳遞，實現系統中整個生物電化學過程和能量轉化過程[2]。

在整個微生物燃料電池的反應系統中，通過活性微生物作為其催化劑，這也是微生物燃料電池的最大優勢。陽極的氧化過程與陰極的還原過程并不是在兩種反應物直接接觸時發生，而是分別在陽極和陰極上進行的。由于微生物燃料電池不需要使用昂貴的化學催化劑，因此可以大大地降低微生物燃料電池整個系統的成本，微生物燃料電池還可以使用污水中的有機物等來產生電能，同時還能處理污水，解決一部分環境問題。微生物燃料電池陽極室內的活性微生物擁有自我更新和繁殖的能力，所以在微生物燃料電池不會出現一般化學催化劑固有的鈍化現象。因此，微生物燃料電池不但可以實現連續不斷的污水處理，同時還可以進行產電。這樣說來，微生物燃料電池廢水處理技術與傳統的廢水處理技術相比，具有相當大的優勢。

2 質子交換膜

微生物燃料電池中，用于分隔陽極與陰極室并同時實現質子從陽極至陰極遷移的分離器被普遍認為是保證微生物燃料電池有效與可持續運行的最關鍵部件。質子交換膜因其較高的導電率和較低的內阻等優勢，成為目前應用最普遍的微生物燃料電池分離器。

在燃料電池中使用最普遍的質子交換膜是全氟磺酸膜，如杜邦公司生產的Nafion膜系列。Nafion膜具有質子傳導率高、化學穩定性好、力學性能較好等優點，但依然存在許多缺點，如氧滲透性高、熱穩定性差、生物淤積、高溫下失水嚴重、阻醇性能差等問題，從而限制了微生物燃料電池的性能及其推廣應用。盡管研究人員嘗試尋找更便宜的和更耐用的替代品，但Nafion膜仍然是最佳選擇[3]。

對Nafion膜進行改性是提高微生物燃料電池性能的一條有效途徑。最近，有很多研究聚焦于利用納米微粒技術進行質子交換膜的改進。納米復合材料膜是一種摻雜諸如SiO2，TiO2，ZrO2等納米粒子成分的新型膜材料。

3 污水處理現狀

城市廢水含有大量的有機化合物，微生物燃料電池在廢水處理過程中產生的電量可以將消耗大量電力充氣活化污泥的常規處理過程中所需的電量減半。有機分子如乙酸脂、丙酸脂、丁酸脂可以徹底分解成二氧化碳和水。即微生物降解或氧化有機物，產生電子并通過一組呼吸酶在細胞內傳遞，以ATP形式為細胞提供能量，是一種利用微生物作為催化劑將有機質化學能轉變為電能的新穎技術裝備。微生物燃料電池可以在污水處理過程中增強生物電化學活性微生物的生長，因此具有良好的操作穩定性。目前，采用廢物廢水作為燃料的MFC還少有研究，如果能夠很好地被MFC中的微生物所分解并且產生電能而不污染環境，那么就能使污染物由環境的負擔變成一種資源，其獨特的產能方式為實現解決能源危機和水污染問題提供新的思路[4]。微生物燃料電池的研究與應用開發涉及到從微生物、電化學到材料學和環境工程等科學領域的交叉，使污水、污泥、垃圾等環境污染物的治理有可能成為生物質能源的生產過程，展示了微生物燃料電池的廣泛應用前景。

參考文獻：

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