當前位置:
首頁 > 知識 > 「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓

「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓

??


相對於傳統的分離過程,膜分離是一種能耗較低的分離技術。然而,膜過程始終需要驅動力(如壓力差、電勢差、溫度差等等),因此需要一定的能耗。以能源換水源,是膜過程的基本原理。不過,在許多膜分離過程中,需要被分離的有機污染物可在氧化過程中產生能量,電化學膜生物反應器(EMBR)就可以實現這樣的過程。將EMBR與超濾或微濾過程相結合,就可以同步實現水的凈化與能量的收集。傳統的EMBR是將Ni或Cu膜作為陰極,除了成本較高,無機材料的靈活性與孔結構的可調性都較低。聚合物膜儘管在成本、結構、易集成化等方面都極具優勢,但大部分聚合物膜均為絕緣體,部分導電聚合物如聚苯胺和聚吡咯則較難在溶液中加工成膜(注意,這裡是指membrane而不是film),因此用聚合物膜來實現上述過程依舊是一個挑戰。

「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓


中空纖維膜電極工作示意圖。圖片來源:Wiley


最近,來自阿卜杜拉國王大學Krishna P. Katuri等人就報道了一種聚合物中空纖維膜電極,用於同時過濾廢水並收集能源,相關論文發表於近期的Advanced Materials上。(A Microfiltration Polymer-Based Hollow-Fiber Cathode as a Promising Advanced Material for Simultaneous Recovery of Energy and Water.Adv. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adma.201603074)。


為了實現上述目的,研究者們首先需要解決的問題是膜作為陰極材料的導電性。他們利用原子層沉積法(ALD)在氟化的聚惡二唑中空纖維膜表面構建了均勻可控的Pt金屬塗層,並通過優化膜電極性能他們找到了最優的ALD條件。這樣製備的複合膜具有兩個功能:一方面微濾膜本身可以作為過濾基材,另一方面膜表面的Pt塗層則可作為制氫過程的陰極。然後,他們構建了如第一幅圖所示的反應裝置,其中包括用於附著電活性細菌的碳纖維刷陽極(2)和Ag/AgCl參比電極(3)。實驗中,他們選擇了醋酸溶液和污水作為處理對象,裡面的有機物作為電子供體。

「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓



圖片來源:Wiley


在實際運行過程中,對於膜電極反應器兩個最重要的評價指標分別是:制氫過程的效率和膜污染對膜性能的影響。在運行前期,電流逐漸增大,這是由於在陽極形成穩定的菌膜需要一定的時間。體系的庫倫效率在前317小時內均大於100%,350小時候則降低至96.7±0.3%左右,這可能是由於在氫營養型甲烷菌的作用下氫氣轉化為甲烷所致。真實廢水中有機成分的複雜性導致在相同的條件下,真實廢水的效率要低於醋酸溶液。值得一提的是,該膜的電化學產氫性能在物理/化學清洗下仍能保持穩定

「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓


圖片來源:Wiley


另一個值得關注的問題就是膜污染。膜污染的形成會導致膜性能的迅速劣化,特別是在本文的操作條件下,細菌也可能在膜表面形成菌落從而堵塞膜孔。與對照組相比,文中所報道的膜電極過膜壓力上升速度較慢,在顯微鏡下也未觀察到明顯的污染層的形成(下圖),這可能主要是由於氫氣氣泡的形成干擾了細菌在膜表面形成菌膜。

「一箭雙鵰」膜電極,水源能源一把抓


AB為文中報道的膜電極,CD則為對照組。圖片來源:Wiley


中空纖維多孔膜電極的應用為能源與環境領域打開了一扇新的窗戶,在材料科學快速發展的今天,發展綠色環保、具有多能性材料與器件將成為未來主流的研究方向。


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603074/abstract


(本文由YHC供稿)

請您繼續閱讀更多來自 X一MOL資訊 的精彩文章:

搞掉細菌的耐葯基因,這個結構簡單的小分子做到了
就像真的一樣:Science報道Hartwig組「既快又強」的人工金屬酶
由生物質平台化合物丙酮一步製取汽、柴油範圍內的烷烴
JACS:瞬態導向基催化的脂肪醛碳氫鍵芳基化反應
在水溶液中光控單線態氧的產生

TAG:X一MOL資訊 |

您可能感興趣

「腦機連接」的終極形態,是頭皮電極還是侵入大腦?
新型的二維納米材料電極面世,可讓電池快速充放電
上海光源軟X射線譜學顯微和衍射線站用戶在自由基穩定化鈉離子電池電極材料方面取得新進展
石墨烯皺摺有助於提升電池電極性能
如果大腦能夠控制計算機機械臂,在大腦中不放電極,計算機能夠識別一個人的思想嗎?
新型有機太陽能電池:裝有石墨烯電極,柔性且透明!
用紙做成的電極讓微生物燃料電池更廉價高效
手機充電等好久?新材料 MXene 鋰電池電極,可在數秒內將電池充飽
輻射管熱處理爐脈衝燒嘴點火電極的改造及應用
黑磷與石墨烯複合電極製備成功!散戶這樣操作到底是對還是錯?
新材料:可拉伸的塑料電極
石墨烯在鋰離子電池電極材料的應用研究
黑夜深度研究:天山海螺之後,石墨電極唯一標的方大炭素極限到底在哪裡?
神經看不見?不用怕,有石墨烯電極
基於中空石墨烯/導電聚合物纖維電極的高能量密度纖維狀電容器
六點掌握石墨電極自動化生產關鍵技術
范冰冰爆炸頭型參加走秀,電極髮型雷人頭髮比臉都大
醫生要求他手術時彈琴,原來是為了在腦內植入電極
各類二次電池電極材料最新研究成果精選