[發明專利]一種用微生物燃料電池從含銅廢水中回收單質銅的方法

有效

• 申請號: 201610563192.6
• 申請日: 2014-01-15
• 公開（公告）號: CN106086934B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 劉維平;印霞棐
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: C25C1/12
• 分類號: C25C1/12;C02F3/34;H01M8/16
• 代理公司: 常州市江海陽光知識產權代理有限公司32214
• 代理人: 孫培英

本申請是申請號為201410017732.1，申請日為2014年1月15日，發明創造名稱為“用微生物燃料電池從含銅廢水中回收單質銅的方法”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及含銅廢水中銅的回收方法，具體涉及一種用微生物燃料電池從含銅廢水中回收單質銅的方法。

背景技術

隨著現代工業的高速發展，金屬冶煉、電鍍和印刷電路板等行業中產生大量的含銅廢水。以一個中等規模的塑料電鍍廠為例，通常每天排放廢水約1500 t，其中含銅廢水約840 t，若以含銅量50mg/L計算，每天排出的銅量達42 kg。含銅廢水排入環境中將會對環境造成巨大的危害。

含銅廢水的傳統處理方法包括化學沉淀法、離子交換法等，這些方法很難實現銅的回收，還可能產生二次污染。電解法流程簡單、操作方便、不需要添加其他化學藥劑、不產生污泥等二次污染、高效快速，可直接回收金屬銅，但電解法的主要缺點是難以處理稀濃度的重金屬廢水；而高濃度的含銅廢液經電解后，銅含量仍可能超過排放標準。此外，電解法能耗高，處理高濃度廢液時尚可產生較為可觀的經濟效益，但是電流效率隨著含銅廢液中銅濃度的降低而降低，受到經濟效益因素制約，限制了電解法在低濃度廢水處理中的推廣應用。

微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是利用微生物作為反應主體，將有機物質的化學能直接轉化為電能的一種裝置；是近年迅速發展起來的一種融合了污水處理和生物產電的新技術。MFC分為陽極區和陰極區，這兩個區由質子交換膜隔開。

在MFC的陽極區中，微生物以有機物為電子供體，以電極作為電子受體將有機物氧化，有機物被氧化的過程中產生電子和質子，電子在陽極上富集，通過外電路轉移到陰極，質子通過質子交換膜進入陰極區。在陰極區，電子和電子受體以及剩余的質子會發生反應，伴隨著陽極有機物分解的過程就是電子轉移的過程。

若以Cu²⁺作為MFC的陰極電子受體，則可以利用MFC產生的電流代替電解法處理含銅廢水技術中的傳統電源。

關于微生物燃料電池處理含銅廢水的技術，中國文獻《剩余污泥為底物的微生物燃料電池處理含銅廢水》（梁敏，陶虎春等，環境科學，Vol.32，No.1，Jan.，2011）采用雙室MFC，經過預處理的質子交換膜置于容積均為1L的兩室之間。在其M3反應器中，外接電阻為0Ω，陽極室加入濃縮污泥1000mL，啟動期內以磷酸緩沖溶液作為陰極溶液，曝入空氣，啟動期結束后停止曝氣，將陰極緩沖溶液更換為1000mL[Cu²⁺]=1000mg/L的硫酸銅溶液,進行Cu²⁺還原實驗。反應開始192h后陰極溶液中Cu²⁺濃度降至68.8mg/L，去除率達到93.3%，最高去除率達到10.7 mg/h。192h后反應速率降低，平均去除率為0.5mg/h，288h實驗結束的最終去除率為97.8%。實驗結束后刮下陰極板上紅褐色沉積物進行X射線衍射分析，M3陰極還原產物主要為單質銅，少量為氧化亞銅。

中國專利文獻CN 101710625 B公開了一種燃料電池系統和污水處理產電及還原重金屬。燃料電池系統進行污水處理、產電及還原重金屬包括以下步驟：將污水導入陽極室內；將緩沖溶液導入陰極室內，運行24小時至72小時后將重金屬離子溶液導入所述陰極室內；通過陽極室內的微生物活性物對流經陽極室的污水進行處理；重金屬離子溶液在陰極室內接受電子被還原，陽極室的質子通過質子交換膜遷移至陰極室，使兩極室在反應器內部電性連通，產生電能。實施例中的MFC都是直接以硫酸銅溶液為陰極溶液，以廢水為陽極底物構建雙室有膜MFC。在運行過程中，MFC陰極溶液里的Cu²⁺在濃度差的壓力下會通過質子交換膜滲透到陽極室，延遲加入硫酸銅可以有效抑制Cu²⁺的滲透。實施例2中，MFC對0.1mol/L硫酸銅溶液中Cu²⁺的去除率較高，可達18.59%；XRD分析證明Cu（Ⅱ）在陰電極表面還原過程中會形成大量的Cu₄（OH）₆SO₄，還原產物包括Cu和Cu₂O，并分別沉積在電極和質子交換膜上（CN 101710625 B的說明書0057段）。