微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，它构造简单，效率高，对环境友好，具有很好的发展前景。MFC可以直接以废水中的有机物为基质，在废水处理的过程中处理废水，在污水处理和新能源的开发中有着重要的意义[2]。MFC有多种结构，有双室型MFC、平板式MFC、微型MFC、管式MFC等，在不同的条件下采用不同的结构，可以取得较好的处理结果。

目前普遍采用的是双室结构，双室MFC反应器主要由阴极、阳极和分离膜组成，两室之间由电解质膜（如质子交换膜）分隔。其基本工作原理（如图1所示）：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过分离膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。反应过程达到物质与电荷的平衡，燃料电池也产生了电能[3]。

图1 MFC的工作原理

1。2微生物燃料电池用分离膜

膜是MFC的重要组成部分。膜将阴极和阳极分开，使阴极中的电子受体[4]或者水中溶解氧不能与阳极室的溶液混合，阳极的基质也不能够扩散到阴极。所以膜应具有选择透过性，允许阳极产生的离子能扩散到阴极，同时阻止其他物质在两室之间传递。常用的膜材料有质子膜、阳离子交换膜、阳离子膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜等。双极膜能够避免质子在传递过程中与其他阳离子的竞争，同时维持阴极和阳极的pH的稳定。但它的缺点是增加了系统的复杂性，提高了成本，而且当电流密度增大时，H-和OH-来不及扩散，导致两极pH变化和MFC内阻增加[5]。微滤膜和超滤膜也可用于MFC中，而且有着较好的产电性能和水处理效果，但是他们对离子、水等小分子良好的通透性使得氧气和基质透过了膜，破坏了阴极和阳极的平衡，不能良好的进行氧化还原反应，而且这两种膜的内阻也比较大，在MFC的应用中比较受限[6]。用于MFC商业化的分离膜主要有阳离子膜、阴离子膜、非离子型膜三种。

1。3微生物用阳离子交换膜

本研究以阳离子交换膜为研究对象，它的作用机理是：在MFC的产电过程中，当一定量的电子在外电路中由阳极流入阴极时，就会有等量的阳离子（包括质子和金属离子）从阳极经交换膜进入阴极，从而保证电池的电荷平衡。为了降低电池的内阻，MFC阳极基质中的金属离子浓度通常较高。由于阳离子交换膜对质子的非特异选择性，大量金属离子代替质子进入阴极，使得阴极室和阳极室的pH发生偏移，阳极pH降低，阴极pH升高，导致微生物的活性下降，输出电压降低，影响电池的运行，这是阳离子交换膜作为MFC分隔材料的最大缺陷。应用于MFC的阳离子交换膜应该具有以下性质：

1） 高的导电率，减小电池运行时欧姆极化损失；

2） 良好的热稳定性，氧气渗透性，保证能量转化效率；

3） 良好的化学及电化学稳定性，保证电池稳定运行；

4） 良好的机械强度，避免在安装及电池运行中破损；

5） 性价比高，有商业竞争力。

目前应用较广泛的阳离子交换膜为Nafion系列膜（DuPont, USA）[7]和ULTREX CMI-7000 膜( Membranes International INC，USA)[8]。Nafion是一种全氟磺酸型质子交换膜，Nafion膜具有磺酸功能侧链，所以它在质子传导、化学稳定性等方面具有优势。但是Nafion膜在MFC中会引起生物催化剂中毒、基质渗透，而且成本高不利于规模化生产，氧气也易从阴极室扩散到阳极室，以及基质耗损和生物污染等问题。另外，Nafion膜在MFC中，由于其他种类的阳离子的浓度远高于质子，非质子的阳离子在传递时会优先于质子，极大影响MFC性能。Nafion膜甲醇透过率高，内阻也高，而且只能在低温下使用（<80℃）[8]。因为这些因素，开发新型膜成为焦点。ULTREX CMI-7000 膜是使用最广泛的阳离子膜，它比Nafion膜成本低，抗污染能力强，机械强度也更大，但是为了提高机械强度，CMI的表面涂了一层无纺布，使得膜的内阻较大。论文网