电对燃料电池用于铬铜镍重金属对苯酚尿素的产电及脱除基础研究

发布时间：2019-09-17 16:41

【摘要】：水污染及水资源短缺问题是制约国民经济社会可持续发展的重要因素之一。传统的废水处理高能耗、高成本,致使污水处理厂难以为继、减排效益得不到正常发挥。能源需求增加也加剧了当前的能源危机,节能降耗的污水处理技术势在必行。然而,受水处理工艺的节制,技术提升空间有限。废水中蕴藏能量已有共识,提取能量已引起科学工作者的广泛关注。从废水中直接提取电能而无需给能的处理技术必将成为一个热点课题。本论文通过设计由还原性污染物与氧化性污染物组成的液相污染物电对燃料电池,模拟污染物,典型的选取Ethanol-Cr(Ⅳ)、Phenol-Cr(Ⅳ)、Urea-Cr(Ⅳ)、 NaBH4-Cu(Ⅱ)及NaBH4-Ni(Ⅱ)电对,将蕴含在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的同时直接去除或转化污染物,为实现污染物脱毒与产电共生进行了基础研究。设计了Ethanol-Cr(Ⅵ)电对燃料电池,以中空Pt/C负载催化阳极与碱性乙醇溶液构成阳极体系、以碳纤维布为电极与酸性Cr(Ⅵ)溶液构成阴极体系,组装成Ethanol-Cr(Ⅵ)电对燃料电池。当Cr (Ⅵ)为3.94mM时可产生开路电压1.46V,负载985Ω外电阻后得到0.7V的输出电压,运行54h后Cr(VI)去除率达96%,起始Cr(VI)浓度为8.65mM时最大功率密度为1900mWm-2。当用带苯环的碳氢污染物苯酚为燃料、以Ni/C负载催化阳极代替Pt/C催化阳极时,940mg L-1的苯酚实现98%的去除率,同时300mg L-1Cr(Ⅵ)达到99%的去除。苯酚在阳极发生电氧化转化为无毒的低分子量有机酸,Cr(VI)在阴极电还原为低毒性Cr(Ⅲ)。此时,开路电压为1.2V、功率密度184mWm-2。选择尿素或尿液作为燃料注入电对燃料电池,负载NiCo/C催化剂为阳极,组装的urea/urine-Cr(Ⅵ)电对燃料电池,0.033M燃料、150mg L-1Cr (Ⅵ)的开路电压为1.08V、最大功率密度为220mWm-2，负载985Ω外电阻运行25h后Cr(Ⅵ)去除率99.4%。改用尿液为燃料,其开路电压为0.84V,最大功率密度为90mWm-2,对应Cr(VI)去除率达98.4%。在此基础上,探索了低电位金属离子在电对燃料电池阴极的还原与去除。以尿素、乙醇、葡萄糖、淀粉和硼氢化钠为燃料,铜离子为氧化剂的电对燃料电池产生的开路电压分别为0.58V、0.65V、0.78V、0.65V和1.5V。当燃料为0.2MNaBH4和2M KOH,铜离子浓度为400mg L-1时,可产生1.5V的开路电压,最大功率密度为1000mWm-2。外加985Ω负载后输出电压为0.65V,运行23h后铜离子去除率达99.9%。若将400mg L-1Ni2+注入电对电池的阴极液,开路电压为1.05V、最大功率密度为260mWm-2。电池运行45.7h后,镍离子去除率达54.8%。由此可见,Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)与苯酚或尿素组成的电对燃料电池中可实现直接产电,同时污染物得以去除。这一方法可望成为污染物处理的一种新技术。
【图文】：

能量转化,燃料电池

它不受卡诺循环（r|+is=l-Q k,s/Q ss/T 限制，能量转换效率可达40-70%，高于传统的内燃机（效率约30%)，如图1.1所示[22]。燃料电池与传统能源相比，具有低污染、高效率、无噪音、燃料来源广等优点[13]。1.2.1燃料电池发展筒史历史上，第一个燃料电池是Willian Grove在1839年发明的[23]。他把封有销电极的坡璃管浸在稀硫酸中，先由电解产生氢和氧，，接着连接外部负载，这样氢和氧就发生电池反应，产生了电流。由此可见，燃料电池已经有了 170余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛关注是20世纪50年代的Bacon型燃料电池[24]。而燃料电池的首次实际应用是在1960年美国的“太空计划’’，用于6

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燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，它按照电化学原理在等温条件下将存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。图1.2是燃料电池的基本组成和工作原理。燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成。两个电极和电解质接触，能量产生的过程发生在电极/电解质界面上，电子和离子传输分开进行。它的产电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分8
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;TM911.4

【参考文献】