[發明專利]一種利用生物質能轉換電解金屬或金屬氧化物的裝置及方法

在審

• 申請號: 201310439637.6
• 申請日: 2013-09-24
• 公開（公告）號: CN103526228A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 李浩然;王維大;楊志超;蔡震雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C25C1/00
• 分類號: C25C1/00;C25C7/00;H01M8/16
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明屬于清潔能源生產及應用領域，具體地，涉及一種利用生物質能轉換電解金屬或金屬氧化物的裝置及方法。特別涉及一種以可生化的生物質作為微生物的營養物質，經微生物的電化學反應過程產生電能，然后利用該電能對金屬鹽溶液進行電解，使其電解槽陰極發生還原作用從而獲得高純金屬或其氧化物的方法及裝置。

背景技術

電解是濕法冶金過程中一個重要的單元過程，是目前工業生產純有色金屬的主要方法，但長期以來存在著能耗大的缺點，特別是電解沉積過程，隨著世界能源的日趨緊缺，開發清潔能源是企業降低生產成本和應對世界能源供應日趨緊張的必然要求。

生物質能源是僅次于石油、煤炭和天然氣的世界第四大能源，具有可再生和環境友好雙重屬性，其開發利用是發展新型能源的重要選擇，是國際可再生能源領域的焦點。生物質能轉換直接獲得電能是一種新型的環境生物技術，是利用微生物的催化作用降解生物質從而將生物質能轉換為電能，利用該電能直接電解金屬或金屬氧化物不僅具有清潔、低碳、低成本的特點，還可以省去交流變直流的整流過程，對電解工業的發展具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用生物質能經轉化所獲得的電能來進行電解制備高純金屬或金屬氧化物的裝置及方法，減少了對傳統能源的利用，降低了生產成本以及對環境的污染。

本發明的利用生物質能轉換電解金屬或金屬氧化物的裝置，包括電解槽4、電解槽陽極9以及電解槽陰極10；還包括生物質能轉換反應器3；

所述生物質能轉換反應器3，包括：池體12、生物質能轉換反應器陰極7以及生物質能轉換反應器陽極8；所述生物質能轉換反應器陰極7覆蓋于池體12的池口，并與電解槽陽極9相連接；所述生物質能轉換反應器陽極8位于池體12內，并穿透生物質能轉換反應器陰極7與電解槽陰極10相連。

根據本發明的裝置，所述生物質能轉換反應器陰極7與生物質能轉換反應器陽極8的材料優選為碳纖維氈或碳纖維布。

本發明所述的電解槽陰極材料和電解槽陽極材料根據電解金屬材料的不同，依據本領域公知的方法選取材料，例如純金屬板、粗金屬板或石墨板等。

具體地，例如針對不同的物質，電解的方法主要有下面幾種：

對于電解精煉：比如電解銅，就是把粗銅板（雜質含量高）作為陽極，純的銅板作為陰極，電解時陽極粗銅會逐漸溶解，溶解下來的銅離子會在陰極上沉積下來，從而達到純的金屬。

電解：比如錳，它需要用不銹鋼板作為陰極，石墨板作為陽極，電解液為硫酸錳，這樣溶液中的錳離子會沉積在不銹鋼板上，然后把它剝落下來。

對于電解金屬氧化物，比如二氧化錳，需要鈦板作為陽極，石墨板作為陰極，硫酸錳作為電解液，錳離子與氧氣生成二氧化錳，沉積在陽極。

根據本發明的裝置，優選地，所述生物質能轉換反應器陽極8填充體積為池體12內部容積的1/10～1/2。

根據本發明的裝置，所述生物質能轉換反應器3的池體12側壁依次連接生物質投料泵2和生物質儲備槽1。

根據本發明的裝置，所述電解槽4側壁依次連接電解液投料泵13和電解液儲備槽6。

根據本發明的裝置，所述生物質能轉換反應器陰極7通過恒電流控制器5與電解槽陽極9相連接；所述生物質能轉換反應器陽極8通過恒電流控制器5與電解槽陰極10相連接。

本發明的基于上述裝置利用生物質能轉換電解金屬或金屬氧化物的方法，包括以下步驟：

1）將菌液添加入生物質能轉換反應器的池體內，液面接觸生物質能轉換反應器陰極；

2）將生物質加入生物質能轉換反應器的池體內，當生物質能轉換反應器內電壓穩定后，將電解液裝入電解槽內，使電解槽內電解液溫度達到30～100℃；

3）將生物質能轉換反應器陽極連入電解槽陰極，將生物質能轉換反應器陰極連入電解槽陽極，進行電解。

根據本發明的方法，在生物質能轉換反應器使用前，電極需要預處理。具體為，將生物質能轉換反應器陽極經200～600℃預氧化處理；在生物質能轉換反應器陰極的觸空氣面涂覆催化劑（如Fe-N-C催化劑等可以催化H⁺與氧氣常溫下生成為水），在觸水面涂覆疏水劑。所述生物質能轉換反應器陰極與陽極通過絕緣套管隔離。

本發明依據具體電解金屬或金屬氧化物來選取電解液，優選地，所述電解液為50～200g/L的金屬鹽溶液和50～250g/L的相對應的無機酸溶液。優選電解液的pH值為2～7。