[发明专利]一种提高微生物燃料电池驱动微生物电解池回收多金属的方法

说明书

技术领域

本发明属于重金属回收处理领域，特别涉及一种提高微生物燃料电池驱动微生物电解池回收多金属的方法。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)与微生物电解池(Microbial Electrolysis Cells,MECs)均包括阳极室、阳极电极、阴极室、阴极电极、质子交换膜。不同的是，MFCs的阴极和阳极发生反应的吉布斯自由能小于零，反应能自发进行，系统输出电能；相反，MECs的阴极和阳极发生反应的吉布斯自由能大于零，反应不能自发进行，外界需要输入能量驱动反应进行。利用输出电能的MFCs驱动需要输入电能的MECs，不仅可利用MFCs和MECs阳极去除有机污染物，而且原位直接利用MFCs电能，同时还可在MFCs和MECs阴极将氧化性污染物还原转化为有价产品，是兼具污染物处理与产品制备多种功效的清洁过程。当前，MFCs不仅能驱动MECs产生氢气；而且，本课题组2013年4月24日申请的专利“一种微生物燃料电池自驱动微生物电解池耦合系统从钴酸锂中回收单质钴的方法”(CN103266331A)提出了MFCs驱动MECs回收废旧锂离子电池中单一金属钴的方法。不同于上述技术创新，开发MFCs驱动MECs系统回收多金属、并提出通过选择MECs阴极材料提高MFCs驱动MECs系统回收多金属性能，将不仅拓展MFCs驱动MECs系统的应用领域和使用范围，而且提出了提高MFCs驱动MECs系统性能的新方法，创新意义明显。

Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)是一类由冶金、电子等工业产生的废水，主要包括电镀废水、印刷电路板蚀刻废水等。传统的电镀废水处理只按照国家规定的排放标准处理。为实现电镀废水中重金属资源的回收或处理，可使用化学吸附或沉淀、离子交换、电解或上述方法的组合方法。例如，专利(CN201678496U)使用一种带水力旋流分离器的电镀废水电解槽分离金属微粒；专利(CN103172207A)通过多维电化复合处理装置，使金属离子以氢氧化物在斜板沉淀池中析出；专利(CN102500326A)和专利(CN103496802A)分别通过改性硅藻土材料或使用阴离子交换树脂，吸附和处理水溶液中Cu(II)或Cr(VI)；专利(CN102259996A)通过加入过量的水溶性硫化物、双氧水和硫酸亚铁处理含铜废水；专利(CN1804148A)首先在电镀废水中加入氢氧化钠沉淀金属，再与含硝酸的电镀废水混合后，调整pH后电解析出铜；专利(CN203159353U)使用化学沉淀Cu(II)、化学还原Cr(VI)配以多介质过滤、活性炭过滤、超滤、纳滤、反渗透等工艺过程回收电镀废水中铜和铬。这些工艺过程具有能耗和成本高、二次污染、副产物多、周期长、效能低、工艺繁琐等缺点。虽然专利(CN102616925A)依据微生物燃料电池的活性碳毡/聚吡咯/蒽醌-2,6-二磺酸钠阴极表面氧气生成的过氧化氢与铬发生氧化还原反应，但仅能实现一种金属(铬)的还原，且微生物燃料电池的输出电能不能得到有效利用。寻求更为清洁的、短程的材料化制备与电镀废水中多种金属资源化利用相结合技术，是人们关注的热点。

Cr(VI)、Cu(II)和Cd(II)的标准氧化还原电位分别为+1.135V、+0.342V和-0.403V，若将Cr(VI)和Cu(II)作为阴极电子受体，可与阳极有机物(以乙酸钠为例)彻底氧化的氧化还原电势(–0.30V)构建自发进行反应且输出电能的MFCs_Cr和MFCs_Cu；若将Cd(II)作为阴极电子受体，与阳极有机物(以乙酸钠为例)彻底氧化构建的电对反应不能自发进行，需要输入一定电能驱动才能进行反应的MECs_Cd。因此，若以Cr(VI)和Cu(II)为电子受体构建MFCs_Cr和MFCs_Cu驱动以Cd(II)为电子受体的MECs_Cd，可在实现电镀废水处理与有价金属资源回收的同时，原位利用MFCs输出电能；也为MFCs、MECs生物电化学系统在电镀废水领域的应用提供了广阔空间。