相对于传统的分离过程，膜分离是一种能耗较低的分离技术。然而，膜过程始终需要驱动力（如压力差、电势差、温度差等等），因此需要一定的能耗。以能源换水源，是膜过程的基本原理。不过，在许多膜分离过程中，需要被分离的有机污染物可在氧化过程中产生能量，电化学膜生物反应器（EMBR）就可以实现这样的过程。将EMBR与超滤或微滤过程相结合，就可以同步实现水的净化与能量的收集。传统的EMBR是将Ni或Cu膜作为阴极，除了成本较高，无机材料的灵活性与孔结构的可调性都较低。聚合物膜尽管在成本、结构、易集成化等方面都极具优势，但大部分聚合物膜均为绝缘体，部分导电聚合物如聚苯胺和聚吡咯则较难在溶液中加工成膜（注意，这里是指membrane而不是film），因此用聚合物膜来实现上述过程依旧是一个挑战。
中空纤维膜电极工作示意图。图片来源：Wiley
最近，来自阿卜杜拉国王大学的Krishna P. Katuri等人就报道了一种聚合物中空纤维膜电极，用于同时过滤废水并收集能源，相关论文发表于近期的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）。
为了实现上述目的，研究者们首先需要解决的问题是膜作为阴极材料的导电性。他们利用原子层沉积法（ALD）在氟化的聚恶二唑中空纤维膜表面构建了均匀可控的Pt金属涂层，并通过优化膜电极性能他们找到了最优的ALD条件。这样制备的复合膜具有两个功能：一方面微滤膜本身可以作为过滤基材，另一方面膜表面的Pt涂层则可作为制氢过程的阴极。然后，他们构建了如第一幅图所示的反应装置，其中包括用于附着电活性细菌的碳纤维刷阳极（2）和Ag/AgCl参比电极（3）。实验中，他们选择了醋酸溶液和污水作为处理对象，里面的有机物作为电子供体。
图片来源：Wiley
在实际运行过程中，对于膜电极反应器两个最重要的评价指标分别是：制氢过程的效率和膜污染对膜性能的影响。在运行前期，电流逐渐增大，这是由于在阳极形成稳定的菌膜需要一定的时间。体系的库伦效率在前317小时内均大于100%，350小时候则降低至96.7±0.3%左右，这可能是由于在氢营养型甲烷菌的作用下氢气转化为甲烷所致。真实废水中有机成分的复杂性导致在相同的条件下，真实废水的效率要低于醋酸溶液。值得一提的是，该膜的电化学产氢性能在物理/化学清洗下仍能保持稳定。
图片来源：Wiley
另一个值得关注的问题就是膜污染。膜污染的形成会导致膜性能的迅速劣化，特别是在本文的操作条件下，细菌也可能在膜表面形成菌落从而堵塞膜孔。与对照组相比，文中所报道的膜电极过膜压力上升速度较慢，在显微镜下也未观察到明显的污染层的形成（下图），这可能主要是由于氢气气泡的形成干扰了细菌在膜表面形成菌膜。
AB为文中报道的膜电极，CD则为对照组。图片来源：Wiley
中空纤维多孔膜电极的应用为能源与环境领域打开了一扇新的窗户，在材料科学快速发展的今天，发展绿色环保、具有多能性材料与器件将成为未来主流的研究方向。
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603074/abstract
（本文由YHC供稿）
