Membranes | 银纳米颗粒缓解正渗透微生物燃料电池生物污染的机制

点击左上角"MDPI 开放获取出版"关注我们，为您推送更多最新资讯。

正渗透微生物燃料电池 (Osmotic Microbial Fuel Cell, OsMFC) 是一种同步实现污水回用与生物电回收的新型污水处理工艺。与传统的微生物燃料电池 (MFC) 相比，OsMFC具有更好的产电性能和出水水质。在OsMFC中，正渗透 (Forward Osmosis, FO) 膜作为阳极室和阳极室之间的分隔膜，可以起到截留污染物和透过质子的作用。然而，严重的生物污染导致FO膜通量衰减较快，造成OsMFC的运行性能变差，成为限制OsMFC稳定运行的关键因素之一。

如何能有效缓解FO膜通量衰减较快的问题呢？

江南大学环境与土木工程学院王新华教授的课题组近期于Membranes期刊发表了题目为Performance Improvement and Biofouling Mitigation in Osmotic Microbial Fuel Cells via In Situ Formation of Silver Nanoparticles on Forward Osmosis Membrane的文章，他们以硼氢化钠 (NaBH4) 为还原剂，首次采用银纳米颗粒 (AgNPs) 原位修饰聚酰胺 (Thin Film Composite, TFC) 正渗透膜表面 (图1)，在缓解聚酰胺正渗透膜生物污染的基础上，实现了正渗透微生物燃料电池运行性能的提升。

图1. 银纳米颗粒改性TFC-FO膜的制备。

实验过程

研究人员将干燥的TFC–FO膜通过20%异丙醇溶液润湿后，将其用去离子 (DI) 水冲洗3次，然后放入玻璃板和有机玻璃框架之间的设计膜组件中，以将溶液保持在TFC-FO膜的活性层上。然后如图1所示的步骤在TFC–FO膜上原位形成AgNPs。随后对原位负载银纳米颗粒的TFC–FO膜的形态、表面亲水性、表面粗糙度、表面电荷进行表征。并使用大肠杆菌作为模型细菌来评估修饰的TFC-FO膜的抗菌特性，以去离子水为进料溶液，以1 M NaCl作为汲取溶液来测量纯水渗透通量和盐渗透系数。

实验结果

结果表明，AgNPs改性的TFC-FO膜具有更高的亲水性，更负的Zeta电位以及较好的抗菌性能。与传统OsMFC相比，采用AgNPs改性膜的OsMFC不仅运行时间更长，而且具有更高的功率密度和更小的内阻，表现出更好的产电性能。AgNPs改性膜具有较好的污染物截留性能，对有机物、总磷和氨氮的去除率分别达到99.0%，95.0%和58.7%左右。AgNPs改性膜的初始水通量更大，通量衰减较小，具有更好的通量性能。通过扫描电镜 (Scanning Electron Microscope, SEM) 和激光共聚焦显微镜 (Confocal Laser Scanning Microscope, CLSM) 的分析表明，AgNPs改性膜的污染层厚度明显小于未改性膜，且其表面沉积的生物污染物的数量明显减少，有效缓解了OsMFC中FO膜的生物污染。

AgNPs改性膜缓解生物污染的机制包括两方面 (图2)。

• 由于AgNPs改性膜具有更好的亲水性和更负的Zeta电位，增强了膜表面与生物污染物的斥力，减缓了微生物及其胞外聚合物在被修饰膜表面的沉积。
  

• 此外，AgNPs的抗菌性能直接干扰了沉积在膜表面的微生物功能，进而导致微生物衰亡。

图2. AgNPs改性缓解TFC-FO膜生物污染的机制。

最后，作者认为AgNPs改性TFC-FO膜成功缓解了OsMFC的生物污染，这主要归因于AgNPs改性膜性能的改变和AgNPs的抗菌性能。生物污染的缓解进而提升了OsMFC的产水量和产电性能。

Membranes (ISSN 2077-0375) 是MDPI组织出版的国际型开放获取期刊，出版与膜科学相关基础理论和应用方面的科技论文。期刊研究范围涵盖非生物膜和生物膜科学和技术，包括膜动力学，膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向，包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。Membranes采取单盲同行评审，一审审稿周期约为11.5天，文章从接收到发表上线仅需2.7天。

识别二维码

阅读英文原文

原文出自Membranes期刊

Lu, Y.; Jia, J.; Miao, H.; Ruan, W.; Wang, X.Performance Improvement and Biofouling Mitigation in Osmotic Microbial Fuel Cells via In Situ Formation of Silver Nanoparticles on Forward Osmosis Membrane. Membranes2020, 10, 122.     

往期回顾：

版权声明：

*翻译作者：Jasmine Xu

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责撰写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：[e-mail]

点击左下方“阅读原文”，了解Membranes期刊更多内容。

喜欢本篇内容请给我们点个“在看”