采用微生物燃料电池从尾矿中回收铁的技术研究

发布时间：2017-11-10 23:21

  本文关键词：采用微生物燃料电池从尾矿中回收铁的技术研究

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【摘要】：近年来,微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,MFC)技术因可回收污水或固体废弃物中的化学能,并将其直接转化为清洁的电能,已成为当前环境生物技术领域的研究热点。有关MFC技术的研究日新月异,其应用领域也在快速拓展,MFC已成为具有极大潜在应用价值的污染治理及生物质能转化技术之一。目前,随着人们对矿产资源的大量开采,高品位、易选矿产资源已日趋减少,剩下的是一些尾矿和低品位矿物,它们不仅占用大量土地,而且对生态环境造成污染,因此,回收尾矿中的资源具有一定的经济效益,而微生物浸出技术在回收利用低品位矿物方面具有一定优势,但是目前传统的微生物浸出率还比较低,如何进一步提高尾矿中金属浸出率已成为一大问题。在微生物浸出技术中,如在生物化学反应中加入电化学过程,可能会加快浸出反应的进程,有利于微生物浸矿。本研究以磁黄铁矿尾矿为例,以FeS为其模拟物,置于双室MFC的阳极室,同时接种浸矿微生物,将MFC技术和微生物浸出技术结合起来,构建FeS-MFC体系,不仅是微生物浸出技术的创新,而且拓展了微生物燃料电池的应用领域,具有一定的学术价值和实践意义。主要研究内容和结果如下:(1)研究了获得硫氧化菌母液的驯化方法、FeS-MFC装置的启动方法及采用MFC技术浸矿的可行性,并通过研究FeS浓度对电压产生及铁离子浸出的影响规律,寻求适宜的FeS浓度。结果表明,以FeS为能源驯化硫氧化菌,其浓度为25g/L时,有利于浸矿微生物的驯化,阳极室FeS浓度为25g/L时,最高输出电压为654.3mV,最大功率密度为1082mW/m2,相应的铁离子浸出率为36.2%,表明利用MFC技术浸出FeS模型物是可行的。(2)对比研究了对照组、接种微生物母液FeS-MFC组和传统微生物浸出组电压和功率密度的变化,研究了FeS-MFC装置的运行特性。结果表明,接种微生物母液FeS-MFC反应器的稳定输出电压为690.4mV,功率密度为1343mW/m2,与对照组相比,提高了3倍多,其阳极CV曲线呈现出明显的氧化还原峰。在浸出过程中驯化微生物母液(含硫氧化菌)可进一步氧化FeS转化产生的中间产物元素硫,缓解其沉积导致的电极及FeS表面钝化现象,在促进MFC产电的同时,提高铁离子的浸出效率,另外发现微生物催化作用及通路状态不仅有利于体系电压输出和铁离子浸出,也可加快铁离子浸出的速率,开展MFC浸矿技术基础研究,进一步探索浸出机理和工艺,提高能量回收率,具有重要的理论和实践意义。(3)研究了传统生物浸出组和接种FeS-MFC组硫化亚铁的电镜照片和EDX分析,阳极微生物活性分析,并对微生物燃料电池浸出FeS的氧化机理进行分析。结果表明,接种微生物母液FeS-MFC反应器中微生物活动较为剧烈,是其电能和浸出率均较高的重要原因,在传统生物浸出组和接种FeS-MFC组中,硫杆菌微生物可以将元素硫氧化为硫酸盐,有效的阻止硫化亚铁矿物表面硫膜形成的钝化,对于硫化亚铁矿物的浸出有积极作用,在MFC浸出FeS系统中,FeS的氧化浸出以直接作用机理为主。(4)考察了利用单室MFC技术处理浸出液的研究,探讨了在不同pH条件下,产电量的不同和功率密度曲线的变化,并根据最优的pH条件处理浸出液,研究了阴极和阳极电势、电压的变化,同时对浸出前后铁离子的变化进行分析,利用电镜观察阴极和阳极产生沉淀和电极表面形态,并对沉淀做XPS元素分析。结果表明,pH值4.5较适宜采用单室MFC回收浸出液中的铁离子,也能产生较高电能,对产生沉淀分布进行分析可知阳极产生的沉淀占总沉淀量的80%以上,阴极沉淀和反应器底部沉淀量较少,阳极表面的沉积物主要是Fe_2O_3,阴极表面沉积物中主要是FeO和Fe_2O_3。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45

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