[發明專利]一種微生物燃料電池自驅動微生物電解池耦合系統從鈷酸鋰中回收單質鈷的方法

有效

• 申請號: 201310145779.1
• 申請日: 2013-04-24
• 公開（公告）號: CN103266331A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 黃麗萍;姚丙林;全燮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25C1/08
• 分類號: C25C1/08;C25C7/00;H01M10/54;H01M8/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于微生物電化學技術領域，具體地說是利用微生物燃料電池MFCs和微生物電解池MECs各自特點，結合鈷酸鋰顆粒的Co(III)浸出到液相Co(II)、由液相Co(II)還原為單質鈷的化學勢變化，實現由Co(III)浸出為Co(II)的MFCs驅動并耦合Co(II)還原為單質鈷的MECs過程。

背景技術

微生物燃料電池(Microbial?Fuel?Cells,MFCs)與微生物電解池(Microbial?Electrolysis?Cells,MECs)均包括陽極室、陽極電極、陰極室、陰極電極、質子交換膜。不同的是，MFCs的陰極和陽極發生反應的吉布斯自由能小于零，反應能自發進行，系統輸出電能；相反，MECs的陰極和陽極發生反應的吉布斯自由能大于零，反應不能自發進行，外界需要輸入能量驅動反應進行。利用輸出電能的MFCs驅動并耦合需要輸入電能的MECs，可在原位直接利用MFCs電能的同時，在MFCs和MECs陰極合成有價值化學品，同時還可利用MFCs和MECs陽極去除有機污染物，過程清潔，是可持續性社會發展的必然要求。

鈷是生產鋰離子電池的重要稀有金屬，在電池中含量達15–20%。隨著鋰離子電池的大量生產和廣泛使用，其帶來的環境問題也日益嚴重。同時，我國又是鋰離子電池的最大生產、消費和出口國，占全球份額1/3以上，對鈷的需求也最為迫切。清潔、高效地回收廢舊鋰離子電池中稀有金屬鈷，不僅有效解決電池污染，而且資源化利用廢棄物，具有明顯的環境效益、經濟效益和社會效益。

鈷在鋰離子電池中以鈷酸鋰(LiCoO₂)存在，傳統的回收方法主要包括物理法、化學法、生物法，主要是將LiCoO₂中Co(III)經酸浸出還原為液相Co(II)，以及隨后的由液相Co(II)經深度處理(化學沉積、溶劑萃取、電沉積)回收鈷，具有能耗和成本高、二次污染、副產物多、周期長、效能低、工藝繁瑣等缺點。作為新興技術，雖然MFCs能將LiCoO₂顆粒中Co(III)還原為溶解態Co(II)，但還需深度處理才能從液相回收鈷；而且，MFCs的輸出電能未得到有效收集和利用。雖然MECs能浸取LiCoO₂并得到單質鈷，但系統需要輸入大量能量；而且，陰極液需限定為較強的酸性環境。尋求更為清潔的、短程的材料化制備與鈷酸鋰資源化利用相結合技術，仍是人們關注的熱點。

以pH2.0為例，LiCoO₂中Co(III)還原為Co(II)的理論氧化還原電位為1.845V，與有機物(以乙酸鈉為例)徹底氧化為CO₂的氧化還原電勢(–0.30V)可構建為MFCs；而Co(II)還原與pH無關，任意pH下Co(II)(以50mg/L計算)還原為單質鈷的理論氧化還原電位僅為–0.373V，由于低于有機物(以乙酸鈉為例)的氧化還原電勢(–0.30V)，需構建MECs，通過輸入能量驅動反應發生。因此，若以Co(III)浸取為Co(II)的MFCs自驅動并耦合Co(II)還原為單質鈷的MECs，可在實現廢舊鋰離子電池中單質鈷的清潔回收的同時，為原位利用MFCs的輸出電能提供有效途徑；同時也為無額外電能輸入、無陰極液酸度限制的MECs的應用提供廣闊空間。

發明內容

本發明提供了一種清潔的、無外界能量消耗的、從鈷酸鋰中回收單質鈷的微生物燃料電池自驅動微生物電解池技術。

本發明利用MFCs自驅動MECs從鈷酸鋰中回收單質鈷的方法，是在MFCs的陰極室加入鹽酸等無機酸溶液，陰極電極為碳棒和碳氈等導電材料，鈷酸鋰加入量≤100g/L(w/v)，鈷酸鋰粒度8～9μm，鈷酸鋰顆粒附著在陰極電極表面。

在MECs的陰極室加入CoCl₂溶液，陰極電極為碳棒等導電材料。

在MFCs和MECs的陽極室中均裝有電化學活性微生物以及陽極液，陽極電極為碳棒和碳氈等導電材料。

MFCs的陰極與MECs陽極通過串聯電阻耦合相連，通過該電阻收集和計算電路中電流。

所述陽極室接種污水處理廠澄清池污泥作為電化學活性微生物。

所述澄清池污泥的pH:6.8–7.0；電導率:0.80–0.93mS/cm；懸浮性固形物:30–35g/L；化學需氧量(COD):150–300mg/L。