Development and performance evaluation of hydrocarbon-based proton exchange membranes for electrobiofuels production in microbial electrolysis cells

Abstract

A sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)/polyimide nanofiber (PIN) composite proton exchange membrane was developed for use in microbial electrolysis cells (MECs), where diverse cations that compete with proton coexist in high concentrations. It was fabricated by impregnating SPAES as a proton-conducting polymer into PIN as a supporter for mechanical reinforcement. The membrane showed excellent mechanical and dimensional stability (tensile strength > 40 MPa) due to membrane reinforcement by nanofibers, despite having a high water uptake (35±3%) and ion exchange capacity (2.3±0.3 meq/g). This novel membrane was highly selective for protons while excluding other competing cations; thus, it significantly mitigated the proton accumulation problem in the anode when applied to actual MECs. In addition to 1.5-fold greater proton transport, the SPAES/PIN membrane exhibited 3–10-fold less undesirable crossover of other cations depending on the species and 2–2.5-fold less gas permeability compared to Nafion-211 membrane. The application of this membrane improved hydrogen production efficiency of MEC by 32.4% compared to Nafion-211 and better hydrogen purity (90.3% for SPAES/PIN vs. 61.8% for Nafion-211). Therefore, this novel membrane has good potential for MEC applications, especially when protons and other competing cations are present together, due to its superior proton selectivity.| Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)/polyimide nanofiber (PIN) 양이온 교환 복합막은 다양한 양이온들이 공존하는 미생물전해전지(Microbial electrolysis cells; MECs)에서 수소 이온을 효과적으로 전달하기 위해 개발되었다. 이 탄화수소계 양이온 교환 복합막은 물리적 강도를 보강하기 위한 지지체로 PIN을 사용하였고, PIN을 양이온 전도성 중합체인 SPAES에 함침 시켜 제조하였다. 이렇게 개발된 복합막은 높은 수분 흡수 능력(35 ± 3%) 및 이온 교환 능력(2.3 ± 0.3 meq/g)을 가짐에도 불구하고, PIN에 의해 우수한 치수 안정성(인장 강도> 40 MPa)을 나타냈다. 또한, 다른 경쟁 양이온들의 전달은 배제하면서 수소 이온을 선택적으로 전달하였는데 기존에 미생물전해전지에서 대표적으로 사용하던 불소계 양이온 교환막인 Nafion-211에 비해 수소 이온을 1.5배 빠르게 전달하였으며, 바람직하지 않은 다른 경쟁 양이온들의 전달과 기체 투과도는 각각 3-10배, 2-2.5배 더 적은 것으로 나타났다. 따라서, 미생물전해전지에 개발된 복합막을 적용하였을 때 anode에서 수소 이온이 축적되는 문제를 상당히 완화시켰고, Nafion-211을 적용했을 때보다 Cathode에서 수소 가스 생산 효율이 32.4% 향상되었으며, 발생한 수소 가스의 순도도 대폭 증가하였다(Nafion-211의 경우 61.8% vs SPAES / PIN의 경우 90.3%). 결론적으로 이 새로운 탄화수소계 양이온 교환 복합막은 우수한 수소 이온의 선택적 전도성과 높은 치수 안정성 그리고 낮은 기체 투과도로 인해 미생물전해전지 분야에서 높은 이용 가능성을 지니고 있는 것으로 판단된다.