自驱动MFC-MEC耦合系统处理电镀废水的应用研究

发布时间：2020-04-15 10:32

【摘要】：电镀废水通常含有多种重金属和络合剂,如若不经处理直接排放,一方面会对人类的生产生活造成威胁,另一方面也会造成电镀废水中有价金属资源的浪费。电镀废水的常规处理方法如电解法、化学沉淀法、溶剂萃取法、吸附法等,存在着能耗大、成本高、易二次污染、有价金属资源难以回收等问题。自驱动MFC-MEC耦合系统由微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)和微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)构成,是生物电化学系统形式的一种创新。通过MFC处理高氧化还原电位的重金属离子,并产生电能驱动MEC处理低氧化还原电位的重金属离子,实现多种重金属离子的还原去除。实验构建MFC反应装置,考察阳极参数(底物浓度、污泥接种量、阳极pH)、阴极参数(阴极pH、离子浓度、阴极材料)、反应器容积、极距对MFC电性能及处理含铜废水的影响。结果表明:底物中乙酸钠浓度为1 g/L、活性污泥与底物体积比为1:2、阳极pH为8、阴极pH为3、铜离子浓度为500 mg/L、阴极材料为碳纸、反应器容积为500 mL时,MFC具有较好的产电性能和铜回收效果。当极距为6 cm时的MFC最大功率密度为6002.5 mW/m~2,Cu~(2+)去除率为99.17%,Cu比收率为0.9mol Cu/mol COD,利用XRD对MFC阴极还原产物进行分析,发现MFC阴极产物主要为铜和氧化亚铜。实验还考察电极材料、底物浓度、阴极液pH、反应器容积、极距等参数变化对MFC处理含铬废水及电性能的影响。结果表明:碳毡为阳极材料、碳纸为阴极材料、乙酸钠底物浓度为1 g/L、阴极液pH为2、反应器容积为250 mL、极距为8 cm时,MFC具有较好的产电性能和铬处理效果。阴极液pH为2时的MFC最大开路电压为1.122 V,最大功率密度为2945 mW/m~2,COD去除率为82.22%,Cr~(6+)去除率为96.69%。利用XRD对MFC阴极产物进行分析,有Cr~(3+)产生,证明MFC可以处理含铬废水,降低废水中铬的毒害性。实验构建MFC-MEC耦合系统处理模拟电镀废水,通过改变MFC参数、MEC参数、耦合方式等,考察耦合系统电性能及重金属处理效果:1)MFC反应器为500mL时耦合系统性能较好,Cr的比收率为1.6 mol Cr/mol COD,Cd的比收率为0.51mol Cd/mol COD,系统电子回收率为55.56%;2)MFC污泥接种量为170 mL时,耦合系统处理铬镍废水效果最好,Cr~(6+)去除率为93.93%,Ni~(2+)去除率为83.93%;3)MFC串联堆栈可以提高MEC两端的电压,但另一方面,MFC串联会造成电子传递阻力变大,使得电极反应变慢,进而影响电性能;4)采用钛板为MEC阴极时耦合系统性能较好,Cu~(2+)去除率最高为93.7%,Cd~(2+)去除率为51.5%,Ni~(2+)去除率为76.28%,Zn~(2+)去除率42.84%;5)酸性的阴极环境有利于MEC阴极液中金属离子的还原,MEC阴极液pH值为3时耦合系统中金属离子去除效果较好,Cd~(2+)去除率为82.44%,Ni~(2+)去除率为81.59%,Zn~(2+)去除率47.78%;6)较小的反应器容积有利于金属离子的去除,当MEC反应器容积为100 mL时,废水处理效果较好;7)采取并联的耦合方式更有利于MFC中Cu~(2+)的还原去除,Cu~(2+)去除率在80%以上。实验利用MFC-MEC耦合系统处理实际电镀废水,在处理高浓度铜、镍废水时,Cu比收率为2.17 mol Cu/mol COD,Ni比收率为1.54 mol Ni/mol COD,电子回收率为58.78%,经XRD检测,MEC阴极还原产物为单质镍;MFC堆栈数量增加可以提高耦合系统处理电镀废水能力,Cu~(2+)去除率均在99.98%以上,Ni~(2+)去除率为29.4%;利用耦合系统处理混合性电镀废水,当MFC反应器容积为500 mL时,Cu~(2+)去除率64.63%,Cr~(6+)去除率为88.28%,与之串联的MEC中Cd~(2+)、Ni~(2+)和Zn~(2+)去除率分别为62.8%、30.7%、40.75%,利用XRD对阴极产物进行分析,MFC有CrCu生成,MEC阴极有ZnS和Cd单质生成。这说明可以通过MFC-MEC耦合系统处理实际电镀废水,降低电镀废水中金属离子毒害性,并回收电镀废水中的有价金属。
【图文】：

生物电化学

电镀废水的处理回收极具研究意义。学系统系统的定义及分类系统（BioelectrochemicalSystems，BES）是微生物技术，包括微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）和lectrolysisCell，MEC）。早期的 BES 是以 MFC 的概念出的应用范围不断得到扩展。MEC 就是在 MFC 的基础上此之前也被称作生物催化电解电池（BiocatalyzedElec化学辅助微生物反应器（Bioelec-trochemically AssisR）[35]。阳极（氧化）和阴极（还原）两个半电池组成，通过生他化学衍生产物的一种装置，如图 1-1 所示。

技术路线图,耦合系统,电镀废水,运行参数优化

江苏理工学院硕士学位论文（2）MFC-MEC耦合系统运行参数优化：采用并联和串联的方式将MFC与MEC耦合，考察耦合方式以及 MFC、MEC 相关条件参数对 MFC-MEC 耦合系统处理废水效果的影响；（3）MFC-MEC 耦合系统处理电镀废水：通过金属去除率、比收率及还原产物分析，考察 MFC 处理实际电镀废水效果及产电状况，并探讨 MFC-MEC 耦合系统处理多种电镀废水的实际效果。调整和优化 MFC-MEC 耦合系统，确定自驱动 MFC-MEC 耦合系统的最优方案，，实现对电镀废水中 Cu2+、Cr6+、Cd2+、Zn2+、Ni2+的去除和回收。技术路线如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：江苏理工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X781.1

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