利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法
申请日期2013年8月9日
公开（公告）日期2016年8月03日
IPC分类号C25C1/08
概括
本发明公开了一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置及方法。 该装置包括微生物电解池、数据采集系统和记录单元； 微生物电解池为双室微生物电解池； 微生物电解池导电。 惰性材料是阳极电极，导电惰性材料是阴极电极。 阳极和阴极通过钛丝、恒电位仪和电阻连接； 数据采集系统与电阻并联，记录单元与数据采集系统连接。 本发明提供了利用微生物电解池从含镍废水中电解回收镍的可行性分析和具体操作方法，实现了利用微生物电解池从含镍废水中回收镍。 与传统的从水中回收镍的电解方法相比，该方法大大降低了能耗，减少了化学试剂的使用，降低了成本，避免了环境污染。
索赔
1.一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法。 一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置，包括微生物电解池、数据采集系统和记录单元； 微生物电解池为双A室微生物电解池，包括阳极和阴极，阳极和阴极之间设有隔膜。 微生物电解池采用导电惰性材料作为阳极，惰性导电材料或铜材料或钛材料作为阴极，分离膜为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。 阳极和阴极通过钛丝、稳压器和电阻连接； 数据采集系统与电阻并联，记录单元与数据采集系统连接；
其特征在于，利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，包括以下步骤：
1）微生物电解池的制备：
制备双室微生物电解池，以惰性导电材料为阳极，惰性导电材料或铜材料或钛材料为阴极，质子交换膜为分离膜；
2）微生物电解池阳极电化学活性微生物的富集：
以乙酸钠溶液或废弃生物质为微生物培养液，以污水、厌氧环境中的沉积物或污水处理厂的厌氧消化污泥或活性污泥为接种物，加入微生物电解阳极室细胞。 ，阴极溶液为磷酸盐缓冲液； 在微生物电解池的两个电极之间施加直流外电压，观察微生物电解池产生的电化学信号随时间的变化； 同时根据电化学信号的变化定期更换MEC阳极室和MEC阳极室。 阴极室中的液体直到微生物电解池产生的最大电化学信号稳定为止用于回收镍；
3）镍回收：
当微生物电解池产生的最大电化学信号稳定后，用含有Ni2+的溶液替换阴极电解液。 运行一定时间后，取出阴极，刮去析出的单质镍。
2.根据权利要求1所述的微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，其特征在于，所述微生物电解池的阳极基质可以采用各种可生物降解的生物质，并且可以采用各种可生物降解的生物质作为阳极基质。微生物电解池的阳极基板。 生物质为醋酸盐、葡萄糖、淀粉、生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水和啤酒废水。
3.根据权利要求1-2任一项所述的利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，其特征在于，多个微生物电解池单元可以并联运行。
4.根据权利要求3所述的利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，其特征在于，该方法应用于含镍废水、含镍电镀液和镍矿生物浸出中回收镍。解决方案。
手动的
利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置和方法。
背景技术
镍是重要的有色金属材料，具有耐腐蚀、在空气中不氧化、耐强碱等优点。 用途广泛，包括特殊钢等合金、电子材料和航天材料、催化剂、电镀、电池材料等。
在目前的工业生产过程中，会产生大量的含镍废液。 如果直接排放到环境中，会对环境造成很大的污染。 同时，镍是一种昂贵的金属。 因此，回收废液中的镍，无论从生态角度还是从资源再利用角度都具有非常重要的现实意义。
目前镍回收的主要方法有化学沉淀法、电解法和离子交换法。 虽然两者都能处理含镍废水，但都存在缺点。 例如，化学沉淀法会产生大量废渣，容易造成二次污染； 电解法能耗高； 离子交换法投资成本高，设备复杂，操作繁琐。
如何对其进行回收利用，国内外正在积极研究和探索。
对于Ni2+的回收，目前通常采用电解法，即利用直流电源电解回收镍。 镍电解回收过程中，基本反应为：
阳极：
(1)
E阳极=1。(T=298.5K, pH=7, p(O2)=2.13×104Pa)
阴极：
(2)
E阴极=-0。 (T=298.5K，pH=7，[Ni2+]=3.41×10-2mol/L或2g/L)。
大多数镀镍废水中Ni2+浓度为0.2~3g/L。
(3)
E阴极=-0。(T=298.5K, pH=7, [H+]=1×10-7mol/L)
总体反应：
(4)
E电动势=-0.300-1.652=-1..
理论上，只有施加电压为1.952V时，才能通过电解得到镍。 由于电解过程中极化电位和内阻的存在，实际上，在电解反应开始获得镍元素之前，所施加的电压必须远大于理论电压值（1.952V）。
传统电解回收镍方法的缺点是电解过程消耗大量能源，产生的酸对设备腐蚀严重。 因此，有必要研究镍回收的新工艺。
微生物电解池（sCell，MEC）是利用微生物催化有机物氧化，在外加电压下将有机物中的化学能直接转化为氢能的装置。
MEC的基本工作原理如图1所示：在厌氧环境下，MEC阳极室中的微生物催化有机物的氧化，产生电子和H+； 产生的电子直接或间接转移到阳极，然后通过外部电路转移到阴极。 电极，质子通过质子交换膜迁移到阴极； H+在外电压作用下在阴极与电子结合产生氢气。
然而，如果阴极室中存在氧化还原电位较高的Ni2+离子，则氧化还原电位较高的Ni2+离子会优先在阴极被还原成镍元素，如图2所示。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置及方法，大大降低镍回收成本，可减少镍回收成本。环境污染。 。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置，包括微生物电解池、数据采集系统和记录单元。 微生物电解池为双室微生物电解池，包括阳极和阴极。 ，以及阳极电极和阴极电极之间的隔膜。 微生物电解池采用导电惰性材料作为阳极，采用惰性导电材料或铜材料或钛材料作为阴极。 分离膜为质子交换膜或阳离子交换膜。 膜、阴离子交换膜或双极性膜，阳极和阴极通过钛丝、恒电位仪和电阻连接； 数据采集系统与电阻并联，记录单元与数据采集系统连接。
本发明还提供一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，包括以下步骤：
1）微生物电解池的制备：
制备双室微生物电解池，以惰性导电材料为阳极，惰性导电材料或铜材料或钛材料为阴极，质子交换膜为分离膜；
2）微生物电解池阳极电化学活性微生物的富集：
以乙酸钠溶液或废弃生物质为微生物培养液，以污水、厌氧环境中的沉积物或污水处理厂的厌氧消化污泥或活性污泥为接种物，加入微生物电解阳极室细胞。 ，阴极溶液为磷酸盐缓冲液； 在微生物电解池的两个电极之间施加直流外电压（0.3~1.2V），观察微生物电解池产生的电化学信号随时间的变化； 同时，根据电化学信号的变化定期更换MEC阳极室和阴极室中的液体，直至微生物电解池产生的最大电化学信号稳定，即可使用该装置回收镍；
3）镍回收：
当微生物电解池产生的最大电化学信号稳定后，用含有Ni2+的溶液替换阴极电解液。 运行一定时间后，取出阴极，刮出单质镍。
在本发明中，各种可生物降解的生物质可以用作微生物电解池的阳极基质，包括醋酸盐、葡萄糖、淀粉、生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水和啤酒废水。
在镍回收过程中，微生物电解池的施加电压在0.3-2.0V之间。
本发明的多个微生物电解池单元可以并行操作。
本发明的方法可应用于含镍废水、含镍电镀液和镍矿生物浸出液中镍的回收。
为了实现镍的回收，本发明设计了一种微生物电解池。 在微生物电解池中，有机物的阳极氧化与Ni2+的阴极还原耦合过程中发生的化学反应按如下反应式进行（以乙酸钠为例）：
阳极：
(5)
E阳极=-0。（pH=7，[-]=[HCO3-]=0.05mol/L）。
阴极：
(6)
E阴极=-0。 （pH=7，[Ni2+]=3.41×10-2mol/L或2g/L）。 大多数镀镍废水的Ni2+浓度为0.2~3g/L。
总体反应：
(7)
E电池=-0.300-(-0.289)=-0.011V
电化学反应动力学分析表明，以Ni2+为电子受体的电池电动势为负，理论上反应不能自发进行，即Ni2+不能自发还原为单质镍。 另外，由于反应过程中极化电位的存在，使得电池电位更负，导致反应(7)不太能够自发进行。 但理论上只需要外加0.011V的直流电压即可使反应式(7)向右进行。 由于反应过程中极化电位的存在，往往需要外部直流电压大于0.011V才能使反应(7)向右进行。 但外加电压（0.3-1.2V）远小于传统方法电解回收镍所需的理论外加电压。 电压（1.952V），从而减少镍回收的能耗。 此外，利用废弃有机物作为阳极微生物基质可以减少废弃有机物对环境的污染。
因此，与现有的镍回收技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可实现镍的低能耗回收；
（2）可以减少化学试剂的使用，降低成本，避免环境污染；
(3)微生物电解池阳极的基材可以是废弃生物质(如生活污水等)，在回收镍的同时可以减少有机废物的排放。
附图说明
图1是微生物电解池的工作原理示意图。
图2是微生物电解池回收镍的工作原理示意图。
图3为具体实施例1中微生物电解槽中镍回收装置的结构示意图。
详细方式
本发明的工艺流程包括：微生物电解池的制备、微生物电解池阳极电化学活性微生物的富集、镍元素的回收。 下面结合实施例对本发明作进一步说明。
1、镍回收装置的准备：
镍回收装置结构如图3所示，包括：阳极室1、碳纤维刷阳极电极2、质子交换膜3、阴极室4、石墨板阴极电极5、阳极室注入口6、阴极室注入口端口7。电线8，恒电位仪9，电线10，电阻11，钛丝12和数据采集系统13。
阳极室1和阴极室4均由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，形成4cm×8cm×11cm的空腔。 微生物电解槽的阳极室1和阴极室4的顶部分别设有阳极室进样口6和阴极室进样口7。
微生物电解池的阳极室1和阴极室4由质子交换膜3(?117，.，USA)分隔。 石墨板阴极3(宽×高×厚：8cm×10cm×0.5cm，2块)使用前用0.5mol/L硝酸溶液清洗。 使用前将碳纤维刷阳极电极2个（Φ2.5cm×10cm，3个）在丙酮中浸泡过夜。 干燥后，用1mol/L盐酸浸泡24小时，用蒸馏水漂洗至中性后使用。 使用前将质子交换膜3与3％(w/w)过氧化氢水溶液、1mol/L硫酸溶液和蒸馏水煮沸1小时，然后放入蒸馏水中备用。 首先将碳纤维刷阳极电极2和石墨板阴极电极5分别固定在阳极室1和阴极室4中，然后放置硅胶密封垫、质子交换膜3、硅胶密封垫和阴极室4分别在阳极室1中。 上，然后用不锈钢螺丝固定。
阳极2通过导线8与稳压器9的高电位端连接。稳压器9的低电位端通过导线10与电阻11连接。电阻11与石墨板阴极连接。 5.穿过钛丝12(?0.5cm)。 连接。 数据采集系统13连接至电阻11的两端。 数据采集系统13由数据采集卡(北京宝创源科技有限公司)和台式电脑组成，用于采集电阻11两端的电压。
2、镍回收装置的操作：
微生物培养液采用乙酸钠溶液（每1L溶液含：1g乙酸钠，4.、2.·H2O，0.、0.、10.的维生素溶液，10.的微量元素溶液），使用污水处理厂的厌氧污泥作为接种剂。 培养液用氮气通气脱氧后，将接种物按一定体积比8:2加入到微生物电解槽阳极室1中，并连续充入氮气（20mL/min）。 使阳极室1保持无氧状态。 阴极室4内装有1L磷酸钠缓冲液(pH＝7.0)，并持续充入氮气(20mL/min)，使阴极室4保持厌氧状态。 恒电位仪9的电压固定为0.9V。 数据采集系统13用于每5秒采集一次电阻两端的电压，观察微生物电解池产生的电化学信号随时间的变化。 同时，根据电化学信号的变化定期更换MEC阳极室1和阴极室4内的液体，直至微生物电解池产生的最大电化学信号稳定。 将微生物电解池置于35℃恒温水浴中，保持温度恒定。 连续运行一段时间（4周）后，当微生物电解池连续3个循环产生的最大电化学信号误差在±5%以内时，表明微生物电解池的阳极已充分富集电化学活性微生物。 该微生物电解池装置可用于回收镍。
3、镍元素回收率：
当微生物电解池的阳极充分富集电化学活性微生物后，用浓度为3.41×10-2mol/L的含Ni2+溶液替换阴极电解液。 5小时后镍回收率达到85%。
本发明利用水中的Ni2+作为微生物电解池阴极的电子受体，在较低的外加电压下，可以在阴极表面将Ni2+还原为单质镍。 与传统的电解从水中回收镍的方法相比，该方法大大降低了能耗，减少了化学试剂的使用，降低了成本，避免了环境污染。
最后需要说明的是：显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明而举的，并不用于限定实施方式。 对于本领域的普通技术人员来说，在上述描述的基础上还可以做出其他不同形式的改变或修改。 所有实现的详尽列表既没有必要也不可能。 显而易见的变化或者由此衍生的变化仍然在本发明的保护范围之内。