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生物电化学系统(BESs)是微生物燃料电池(MFCs)和微生物电解池(MECs)的统称,以微生物为催化剂直接将有机物或无机物中的化学能转化为电能的装置。经典的双室生物电化学系统由阴极室、阳极室和隔离膜组成。具有氧化性的重金属如Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、 Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)等,均可以在双室BESs的阴极被有效还原,为实现BESs阳极去除有机污染物、阴极回收重金属的多功效提供了有效途径。虽然多人已开展了基于阴离子交换膜(AEM)、阳离子交换膜(CEM)、质子交换膜(PEM)或双极膜的双室BESs回收重金属的研究,但系统比较不同离子交换膜对BESs回收不同金属的研究还鲜有报道。基于此,本研究以常用的CEM、AEM、两种Nafion膜(115型、212型)为研究对象,以混合重金属Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)为阴极液,以乙酸为阳极底物、磷酸缓冲液为阳极液,考察不同类型离子交换膜条件下的BESs性能。研究结果为实现高效的BESs阳极去除有机物同步阴极回收混合金属铬铜镉提供初步的理论依据与保证。结果表明,(1)四种膜在开路条件下均比闭路条件下的金属透过率高。其中,Nafion212的金属透过率最高,在开路条件、运行96小时、三种金属初始浓度均为10 mM时,Cu(Ⅱ)透过Nafion 212的百分比最大为29.1±0.2%,是闭路条件下的5.3倍。(2)降低初始金属离子浓度,增加金属透过离子交换膜的百分率。其中,AEM的透过率最大。在闭路条件下,金属初始浓度均为1.0 mM、运行96小时,高达5.8±0.8%的Cr(Ⅵ)透过AEM,是初始分别为10 mM时的1.9倍。(3)四种膜的阳极阴离子在开路条件均比闭路条件下的透过率高,其中,CH3COO-对AEM的透过百分比最大,是闭路条件下的1.3倍。(4)随着运行时间的延长,膜性能下降,第7周期(90天)后,AEM的功率密度由初始时的360 mW/m2下降为30 mW/m2,降低78.9%,EIS分析表明,膜内阻由2.4 Ω升高至18Ω,是新膜的6.2倍。经清洗后不同膜的活性均有所恢复。其中Nafion 212再生性最好,功率密度恢复到新膜的95%。