質(zhì)子交換膜污染機(jī)理分析以及在微生物燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、本文以質(zhì)子交換膜的污染機(jī)理分析以及質(zhì)子交換膜在微生物燃料電池中的應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容，利用QCM-D吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)合接觸角和Zeta電位研究分析自制PVDF-g-PSSA膜在三種不同接枝量下牛血清蛋白（BSA）以及海藻酸鈉（SA）的污染情況，同時(shí)考察了自制PVDF-g-PSSA膜在三種不同離子強(qiáng)度下牛血清蛋白（BSA）以及海藻酸鈉（SA）的污染情況并與杜邦Nafion膜進(jìn)行了對(duì)比分析。在宏觀上，分析微生物燃料電池中膜表面的胞外聚合物（EPS)

2、的蛋白與多糖含量，利用QCM-D研究EPS在膜表面吸附情況。另外，通過(guò)更換新膜前后微生物燃料電池(MFC)的性能變化考察膜污染對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的影響。得出的主要結(jié)論如下：
　　1）隨著親水磺酸基團(tuán)的比例增大，一方面接枝的磺酸基團(tuán)減少了PVDF與親水性污染物海藻酸鈉（SA）的氫鍵作用，同時(shí)親水基團(tuán)使得膜面形成水合層阻礙污染物的吸附，使得PVDF-g-PSSA膜面SA吸附量急劇下降。隨著親水磺酸基團(tuán)的比例增大，牛血清蛋白（BSA）吸附量

3、也有所下降，但是PVDF-g-PSSA膜（PVDF:SSS=1:5）的BSA吸附量依然較大并且是SA吸附量的90倍，與SA相比，BSA是膜的主要污染物。
　　2）隨著離子強(qiáng)度的增加，自制膜PVDF-g-PSSA膜面電位不斷減小趨向于零，Nafion膜面電位不斷增大且電負(fù)性很小，兩種膜的含水率都在不斷下降。隨著離子強(qiáng)度增大，兩種膜的BSA吸附層的|-ΔD/ΔF|值依次增大，粘彈性提高，同時(shí)和含水率不斷減小的結(jié)果相反。不同離子強(qiáng)度下，

4、PVDF-g-PSSA膜面BSA吸附層的|-ΔD/ΔF|值是Nafion膜的2到3倍，說(shuō)明PVDF-g-PSSA膜的抗BSA吸附的性能更好。
　　3）隨著離子強(qiáng)度增大，兩種膜的SA吸附量不斷增加并且PVDF-g-PSSA膜的SA吸附量始終小于Nafion膜，但是SA吸附量的差距在不斷縮小，說(shuō)明高離子強(qiáng)度下SA的吸附受到膜本身特性的影響較小。另外，高離子強(qiáng)度下兩種膜的SA吸附難以達(dá)到平衡，這點(diǎn)與BSA在高離子強(qiáng)度下更快平衡相反，并且

5、SA后期吸附量巨大，所以在高離子強(qiáng)度下SA是質(zhì)子交換膜的主要污染物之一。
　　4）PVDF-g-PSSA膜上胞外聚合物（EPS）流動(dòng)性較小，多糖與蛋白含量明顯高于系統(tǒng)污泥EPS中的多糖與蛋白含量。系統(tǒng)污泥EPS中蛋白類(lèi)有機(jī)物含量為9％，QCM-D下降頻率為BSA（20mg/L）吸附的22.8%，膜上EPS中蛋白類(lèi)有機(jī)物含量為20.3%，下降頻率為BSA（20mg/L）吸附的29.8%，由于有機(jī)物濃度越大吸附上升速度越慢，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果較為吻合。
　　5）在系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月后更換新膜，Nafion膜微生物燃料電池內(nèi)阻增加21.5%，功率密度減小33.3%，COD降解率從93.4%下降到87.6%，庫(kù)倫效率從5.14%下降到4.25%，PVDF-g-PSSA膜微生物燃料電池內(nèi)阻增加20.5%，功率密度減小22.4%，COD降解率從90.73%下降到86.1%，庫(kù)倫效率從4.41%下降到4.12%，PVDF-g-PSSA膜微生物燃料電池的內(nèi)阻、功率密度、COD以及庫(kù)