[發明專利]一種提高微生物燃料電池驅動微生物電解池回收多金屬的方法

有效

• 申請號: 201410175987.0
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103966626A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 黃麗萍;張勇;吳丹;全燮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C25C1/00
• 分類號: C25C1/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術領域

本發明屬于重金屬回收處理領域，特別涉及一種提高微生物燃料電池驅動微生物電解池回收多金屬的方法。

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驅動需要輸入電能的MECs，不僅可利用MFCs和MECs陽極去除有機污染物，而且原位直接利用MFCs電能，同時還可在MFCs和MECs陰極將氧化性污染物還原轉化為有價產品，是兼具污染物處理與產品制備多種功效的清潔過程。當前，MFCs不僅能驅動MECs產生氫氣；而且，本課題組2013年4月24日申請的專利“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”(CN103266331A)提出了MFCs驅動MECs回收廢舊鋰離子電池中單一金屬鈷的方法。不同于上述技術創新，開發MFCs驅動MECs系統回收多金屬、并提出通過選擇MECs陰極材料提高MFCs驅動MECs系統回收多金屬性能，將不僅拓展MFCs驅動MECs系統的應用領域和使用范圍，而且提出了提高MFCs驅動MECs系統性能的新方法，創新意義明顯。

Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)是一類由冶金、電子等工業產生的廢水，主要包括電鍍廢水、印刷電路板蝕刻廢水等。傳統的電鍍廢水處理只按照國家規定的排放標準處理。為實現電鍍廢水中重金屬資源的回收或處理，可使用化學吸附或沉淀、離子交換、電解或上述方法的組合方法。例如，專利(CN201678496U)使用一種帶水力旋流分離器的電鍍廢水電解槽分離金屬微粒；專利(CN103172207A)通過多維電化復合處理裝置，使金屬離子以氫氧化物在斜板沉淀池中析出；專利(CN102500326A)和專利(CN103496802A)分別通過改性硅藻土材料或使用陰離子交換樹脂，吸附和處理水溶液中Cu(II)或Cr(VI)；專利(CN102259996A)通過加入過量的水溶性硫化物、雙氧水和硫酸亞鐵處理含銅廢水；專利(CN1804148A)首先在電鍍廢水中加入氫氧化鈉沉淀金屬，再與含硝酸的電鍍廢水混合后，調整pH后電解析出銅；專利(CN203159353U)使用化學沉淀Cu(II)、化學還原Cr(VI)配以多介質過濾、活性炭過濾、超濾、納濾、反滲透等工藝過程回收電鍍廢水中銅和鉻。這些工藝過程具有能耗和成本高、二次污染、副產物多、周期長、效能低、工藝繁瑣等缺點。雖然專利(CN102616925A)依據微生物燃料電池的活性碳氈/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸鈉陰極表面氧氣生成的過氧化氫與鉻發生氧化還原反應，但僅能實現一種金屬(鉻)的還原，且微生物燃料電池的輸出電能不能得到有效利用。尋求更為清潔的、短程的材料化制備與電鍍廢水中多種金屬資源化利用相結合技術，是人們關注的熱點。

Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)的標準氧化還原電位分別為+1.135V、+0.342V和-0.403V，若將Cr(VI)和Cu(II)作為陰極電子受體，可與陽極有機物(以乙酸鈉為例)徹底氧化的氧化還原電勢(–0.30V)構建自發進行反應且輸出電能的MFCs_Cr和MFCs_Cu；若將Cd(II)作為陰極電子受體，與陽極有機物(以乙酸鈉為例)徹底氧化構建的電對反應不能自發進行，需要輸入一定電能驅動才能進行反應的MECs_Cd。因此，若以Cr(VI)和Cu(II)為電子受體構建MFCs_Cr和MFCs_Cu驅動以Cd(II)為電子受體的MECs_Cd，可在實現電鍍廢水處理與有價金屬資源回收的同時，原位利用MFCs輸出電能；也為MFCs、MECs生物電化學系統在電鍍廢水領域的應用提供了廣闊空間。