质子交换膜污染机理分析以及在微生物燃料电池中的应用

发布时间：2019-10-17 16:04

【摘要】：本文以质子交换膜的污染机理分析以及质子交换膜在微生物燃料电池中的应用为主要研究内容,利用QCM-D吸附实验结合接触角和Zeta电位研究分析自制PVDF-g-PSSA膜在三种不同接枝量下牛血清蛋白(BSA)以及海藻酸钠(SA)的污染情况,同时考察了自制PVDF-g-PSSA膜在三种不同离子强度下牛血清蛋白(BSA)以及海藻酸钠(SA)的污染情况并与杜邦Nafion膜进行了对比分析。在宏观上,分析微生物燃料电池中膜表面的胞外聚合物(EPS)的蛋白与多糖含量,利用QCM-D研究EPS在膜表面吸附情况。另外,通过更换新膜前后微生物燃料电池(MFC)的性能变化考察膜污染对系统长期运行的影响。得出的主要结论如下:1)随着亲水磺酸基团的比例增大,一方面接枝的磺酸基团减少了PVDF与亲水性污染物海藻酸钠(SA)的氢键作用,同时亲水基团使得膜面形成水合层阻碍污染物的吸附,使得PVDF-g-PSSA膜面SA吸附量急剧下降。随着亲水磺酸基团的比例增大,牛血清蛋白(BSA)吸附量也有所下降,但是PVDF-g-PSSA膜(PVDF:SSS=1:5)的BSA吸附量依然较大并且是SA吸附量的90倍,与SA相比,BSA是膜的主要污染物。2)随着离子强度的增加,自制膜PVDF-g-PSSA膜面电位不断减小趋向于零,Nafion膜面电位不断增大且电负性很小,两种膜的含水率都在不断下降。随着离子强度增大,两种膜的BSA吸附层的|-ΔD/ΔF|值依次增大,粘弹性提高,同时和含水率不断减小的结果相反。不同离子强度下,PVDF-g-PSSA膜面BSA吸附层的|-ΔD/ΔF|值是Nafion膜的2到3倍,说明PVDF-g-PSSA膜的抗BSA吸附的性能更好。3)随着离子强度增大,两种膜的SA吸附量不断增加并且PVDF-g-PSSA膜的SA吸附量始终小于Nafion膜,但是SA吸附量的差距在不断缩小,说明高离子强度下SA的吸附受到膜本身特性的影响较小。另外,高离子强度下两种膜的SA吸附难以达到平衡,这点与BSA在高离子强度下更快平衡相反,并且SA后期吸附量巨大,所以在高离子强度下SA是质子交换膜的主要污染物之一。4)PVDF-g-PSSA膜上胞外聚合物(EPS)流动性较小,多糖与蛋白含量明显高于系统污泥EPS中的多糖与蛋白含量。系统污泥EPS中蛋白类有机物含量为9%,QCM-D下降频率为BSA(20mg/L)吸附的22.8%,膜上EPS中蛋白类有机物含量为20.3%,下降频率为BSA(20mg/L)吸附的29.8%,由于有机物浓度越大吸附上升速度越慢,这与实验结果较为吻合。5)在系统运行6个月后更换新膜,Nafion膜微生物燃料电池内阻增加21.5%,功率密度减小33.3%,COD降解率从93.4%下降到87.6%,库伦效率从5.14%下降到4.25%,PVDF-g-PSSA膜微生物燃料电池内阻增加20.5%,功率密度减小22.4%,COD降解率从90.73%下降到86.1%,库伦效率从4.41%下降到4.12%,PVDF-g-PSSA膜微生物燃料电池的内阻、功率密度、COD以及库伦效率受膜污染影响更小,抗污染能力更强,长期运行更加稳定。但是也要注意到,PVDF-g-PSSA膜微生物燃料电池内阻大、COD降解率与库伦效率偏低等缺点,因此深入研究抗污染且性能优异的质子交换膜对质子交换膜微生物燃料电池的长期实际应用具有重要意义。
【图文】：

全氟磺酸,质子交换膜,结构示意图

西安建筑科技大学硕士学位论文大作用：质子的电荷载体，生成气体的分离和电子绝缘体（由于 SO3-的电子排斥力的存在）。20 世纪 70 年代，，杜邦公司开发了一种称为 Nafi酸型质子交换膜，使得膜的质子传导率和使用寿命大大延长。Nafion 膜质子交换膜燃料电池的最常用聚合膜，并保持至今。另外，美国 Dow 化日本 Asahi 化学公司合成了具有较短侧链和更高磺酸比例的全氟磺酸膜[

示意图,石英晶体,示意图,疏油

西安建筑科技大学硕士学位论文面 BSA 吸附的影响，发现亲水角不能全团的特异性相关。由于高分子有机物 PV被溶剂覆盖，因此疏水疏油）容易吸附可以与 AFM[5, 77]和表面等离子体共振方面受到溶液的密度、粘度以及流动性粗糙度以及含水率的影响，污染物吸附。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.45

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