[发明专利]利用微生物燃料电池去除-回收水中铀并同步产电的方法

说明书

本发明公开了一种微生物燃料电池去除‑回收水中铀并同步产电的方法。本发明以钛基二氧化钛纳米管阵列电极作为阴极，以生长有微生物的碳材料作为阳极，利用六价铀酰离子能够得电子被还原为二氧化铀并沉积在电极表面的性质，将六价铀还原为二氧化铀并富集在电极表面。微生物电化学还原富集完成后，将富集二氧化铀的电极从溶液中取出，即可实现废水、地下水和海水中铀的高效还原去除。在还原去除过程中，阳极室内有机物和阴极室内含铀水体中蕴含的化学能被转化为电能，实现了清洁的产能。本发明应用范围广，对于含有不同浓度铀和不同浓度碳酸盐的废水、地下水和海水中的铀均可实现高效去除回收并同步产电。

技术领域

本发明属于水处理、贵金属回收和生物能源领域，涉及一种微生物燃料电池去除-回收水中铀并同步产电的方法。

背景技术

由于天然地球化学过程以及人类的开采活动，全球范围内的铀污染问题日益严重。铀在天然水环境中主要以具有高稳定性和高迁移性的六价铀酰离子的形式存在，其重金属毒性和放射性毒性对生态环境和人体健康造成了极大威胁。据报道，很多国家的地表或地下水中铀含量已经大大超出了世界卫生组织规定的30μg/L的饮用水标准，各别地区的铀矿区废水中铀浓度甚至高达50mg/L，铀污染的治理已成为亟待解决的技术问题。同时，由于核能具有清洁与能量密度高等优势，越来越多的国家将核能视为重要的能量来源，作为核原料的铀的需求量急剧增加，开发高效的铀富集回收工艺成为近年来的研究热点。考虑到世界范围内的能源短缺问题，污染治理与物质回收的新方法还应满足更节能甚至产能的要求。综上所述，建立绿色高效的去除回收水中铀的工艺，在污染控制、物质回收与能源利用三方面都具有非常重要的意义。

铀染控制技术的发展方向是实现无害化、资源化和能源化，理论上微生物燃料电池技术可以同时实现铀污染控制的无害化(铀去除)、资源化(铀回收)和能源化(产电)。微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理领域具有广阔的应用前景。近年来很多研究发现，微生物燃料电池能以氧化态污染物为阴极电子受体，利用产生的电流实现污染物的微生物电还原(如脱氮、偶氮染料脱色，去除重金属等)。但是由于天然地表水、地下水和海水中广泛存在碳酸盐，铀酰离子会与碳酸盐反应形成稳定的碳酸铀酰络合物，采用金属和碳材料等电极的传统微生物燃料电池技术很难实现铀的去除-回收-产电。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用微生物燃料电池去除-回收水中铀并同步产电的方法。

本发明要求保护一种钛基二氧化钛纳米管阵列电极在去除含铀废水、地下水和/或海水中铀和/或产电中的应用。

本发明还要求保护以钛基二氧化钛纳米管阵列电极为阴极的微生物燃料电池在去除含铀废水、地下水和/或海水中铀和/或产电中的应用。

具体的，所述钛基二氧化钛纳米管阵列电极中，二氧化钛的晶相为锐钛矿相。

上述钛基二氧化钛纳米管阵列电极，可按照各种常规方法制得，如可以钛片、钛网或泡沫钛为阳极，铂网为阴极，在乙二醇、氟化铵和水存在的条件下，依次进行常温氧化刻蚀和煅烧而得；

其中，所述常温氧化刻蚀步骤中，时间为0.5-2.5小时；直流电源的电压为20-50V；

所述煅烧步骤中，温度为400-500℃；时间为2-4h。

所述乙二醇、氟化铵和水的用量比为30-50mL：0.1-0.4g：2-6mL，具体为40mL：0.25g：5mL；

所述常温氧化刻蚀步骤中，时间为2小时；

所述钛基二氧化钛纳米管阵列电极中，二氧化钛的晶相为锐钛矿相；

所述直流电源的电压为40V；

所述煅烧步骤中，温度为450℃；时间为3h。

上述微生物燃料电池中，阳极为碳材料；具体为碳纤维刷；