自驱动MFCs-MECs系统回收铜钴的MECs阴极材料效应

发布时间：2017-12-25 18:11

本文关键词：自驱动MFCs-MECs系统回收铜钴的MECs阴极材料效应　出处：《大连理工大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：废旧锂离子电池中存在大量有价金属钴、铜等重金属,其重金属污染与资源回收具有重要实际意义,而传统重金属处理方法存在二次污染严重、能量消耗高和回收率低等缺点。生物电化学系统分为微生物燃料电池(MFCs)与微生物电解池(MECs),将MFCs产生的电能施加给MECs可构成自驱动MFCs-MECs系统,是一种零耗能的清洁污染物处理技术,本研究以分离回收锂离子电池中重要金属钴、铜、锂为目标,利用自驱动MFCs-MECs系统或MFCs开展了以下三方面研究：间歇运行条件下,考察耦合系统对混合铜钴的回收与分离性能；连续运行模式下,考察自驱动MFCs-MECs耦合系统中不同类型不锈钢网的系统性能,实现混合铜钴锂的完全彻底分离与回收；基于单质铜与不同电极的相互作用,考察多周期运行的MFCs还原Cu(Ⅱ)性能。主要研究结果如下：(1)在间歇运行模式下,利用自驱动MFCs-MECs系统实现回收溶液中铜钴,分别使用碳棒(CR)、钛片(TS)和不锈钢网(SSM)作为MEC的阴极材料,在铜、钴浓度分别为50 mg/L时,MEC的钛片(TS)和不锈钢网(SSM)阴极可以有效的去除MEC阴极液中Co(Ⅱ),而碳棒(CR)阴极则不能驱动系统的正常运行。减小MFC的阴极体积,可使MEC的CR阴极的Co(Ⅱ)去除率达41.4±3.8%：同时减小MFC阴极和MEC阴极时,MEC的TS和SSM阴极的Co(Ⅱ)去除率最高,分别达45.0±0.3%和39.7±3.6%。混合进水条件下Cu(Ⅱ)可被耦合系统完全去除,MECs的TS和SSM阴极的Co(Ⅱ)去除率为65.372.0%。上述结果表明,MEC阴极材料与反应器体积是决定MFCs-MECs系统高效回收Co(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的重要因素,考虑到成本及效率,SSM是系统有效回收铜与钴的理想MECs阴极材料。(2)在连续运行模式下,以不同规格不锈钢网为MECs阴极材料,考察自驱动MFCs-MECs系统完全分离与回收Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ)性能。在停留时间(HRT)为9 h、#60 SSM、进水组成为10 mg/L Cu(Ⅱ)、10mg/L Co(IⅠ)与3 mg/L Li(Ⅰ)时,系统的MFCs阴极能选择性去除Cu(Ⅱ),去除速率为1.10±0.04 mh/(L·h),MECs阴极对Co(Ⅱ)的去除速率为101 ±0.03 mg/(L·h), Li(I)则完全停留在系统出水中；提高进水浓度可提高金属的去除率、铜钴收率、系统效率(MFCs阴极效率、MFCs阳极效率、系统总效率),但不能完全分离与回收Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ)；延长HRT为12 h,金属去除率变化不明显且不能完全分离,同时,产品收率和系统效率降低。以上结果表明,不同类型SSM、不同HRT及进水混合金属离子浓度是MFCs-MECs系统能否完全分离回收Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ)的关键因素。连续运行的自驱动MFCs-MECs系统适用于去除低浓度的金属溶液,且MEC阴极为#60的不锈钢网时系统性能最佳。(3)分别考察CR, TS、SSM和铜片(CuS)为阴极的MFCs去除与还原Cu(Ⅱ)性能,12个周期运行结果表明,CR电极MFC最大输出功率密度下降了55%,但是Cu(Ⅱ)去除率提高了0.76倍,达到86.2±0.66%；CuS电极出现严重的腐蚀现象,最大输出功率密度下降了71%；TS和SSM阴极在铜沉积之后出现随着操作时间延长性能提高的现象,最大输出功率分别提高了76%和245%,达到3.13 W/m3和6.46W/m3, SSM电极在第12周期之后可达到100%去除Cu(Ⅱ)的效果。上述结果表明,运行时间与阴极材料是影响还原Cu(Ⅱ)的MFC性能的重要方面,SSM更有利于铜还原MFC的长期运行。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X705;TM911.45

【参考文献】