自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)回收銅鈷的MECs陰極材料效應(yīng).pdf

1、廢舊鋰離子電池中存在大量有價金屬鈷、銅等重金屬，其重金屬污染與資源回收具有重要實際意義，而傳統(tǒng)重金屬處理方法存在二次污染嚴(yán)重、能量消耗高和回收率低等缺點。生物電化學(xué)系統(tǒng)分為微生物燃料電池(MFCs)與微生物電解池(MECs)，將MFCs產(chǎn)生的電能施加給MECs可構(gòu)成自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)，是一種零耗能的清潔污染物處理技術(shù)，本研究以分離回收鋰離子電池中重要金屬鈷、銅、鋰為目標(biāo)，利用自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)或MFCs開展了以下研究

2、：
　　⑴間歇運行條件下，考察耦合系統(tǒng)對混合銅鈷的回收與分離性能;連續(xù)運行模式下，考察自驅(qū)動MFCs-MECs耦合系統(tǒng)中不同類型不銹鋼網(wǎng)的系統(tǒng)性能，實現(xiàn)混合銅鈷鋰的完全徹底分離與回收;基于單質(zhì)銅與不同電極的相互作用，考察多周期運行的MFCs還原Cu(Ⅱ)性能。
　　⑵在間歇運行模式下，利用自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)實現(xiàn)回收溶液中銅鈷，分別使用碳棒(CR)、鈦片(TS)和不銹鋼網(wǎng)(SSM)作為MEC的陰極材料，在銅、鈷濃度分

3、別為50 mg/L時，MEC的鈦片(TS)和不銹鋼網(wǎng)(SSM)陰極可以有效的去除MEC陰極液中Co(Ⅱ)，而碳棒(CR)陰極則不能驅(qū)動系統(tǒng)的正常運行。減小MFC的陰極體積，可使MEC的CR陰極的Co(Ⅱ)去除率達(dá)41.4±3.8％;同時減小MFC陰極和MEC陰極時，MEC的TS和SSM陰極的Co(Ⅱ)去除率最高，分別達(dá)45.0±0.3％和39.7±3.6％?；旌线M(jìn)水條件下Cu(Ⅱ)可被耦合系統(tǒng)完全去除，MECs的TS和SSM陰極的Co(

4、Ⅱ)去除率為65.3-72.0％。上述結(jié)果表明，MEC陰極材料與反應(yīng)器體積是決定MFCs-MECs系統(tǒng)高效回收Co(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的重要因素，考慮到成本及效率，SSM是系統(tǒng)有效回收銅與鈷的理想MECs陰極材料。
　?、窃谶B續(xù)運行模式下，以不同規(guī)格不銹鋼網(wǎng)為MECs陰極材料，考察自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)完全分離與回收Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ)性能。在停留時間(HRT)為9h、＃60 SSM、進(jìn)水組成為10 mg/L C

5、u(Ⅱ)、10 mg/L Co(Ⅱ)與3 mg/L Li(Ⅰ)時，系統(tǒng)的MFCs陰極能選擇性去除Cu(Ⅱ)，去除速率為1.10±0.04 mg/(L·h)，MECs陰極對Co(Ⅱ)的去除速率為1.01±0.03 mg/(L·h)，Li(Ⅰ)則完全停留在系統(tǒng)出水中;提高進(jìn)水濃度可提高金屬的去除率、銅鈷收率、系統(tǒng)效率(MFCs陰極效率、MFCs陽極效率、系統(tǒng)總效率)，但不能完全分離與回收Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ);延長HRT為12h

6、，金屬去除率變化不明顯且不能完全分離，同時，產(chǎn)品收率和系統(tǒng)效率降低。以上結(jié)果表明，不同類型SSM、不同HRT及進(jìn)水混合金屬離子濃度是MFCs-MECs系統(tǒng)能否完全分離回收Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)和Li(Ⅰ)的關(guān)鍵因素。連續(xù)運行的自驅(qū)動MFCs-MECs系統(tǒng)適用于去除低濃度的金屬溶液，且MEC陰極為＃60的不銹鋼網(wǎng)時系統(tǒng)性能最佳。
　?、确謩e考察CR、TS、SSM和銅片(CuS)為陰極的MFCs去除與還原Cu(Ⅱ)性能，12個周期運行

7、結(jié)果表明，CR電極MFC最大輸出功率密度下降了55％，但是Cu(Ⅱ)去除率提高了0.76倍，達(dá)到86.2±0.66％; CuS電極出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，最大輸出功率密度下降了71％; TS和SSM陰極在銅沉積之后出現(xiàn)隨著操作時間延長性能提高的現(xiàn)象，最大輸出功率分別提高了76％和245％，達(dá)到3.13 W/m3和6.46 W/m3，SSM電極在第12周期之后可達(dá)到100％去除Cu(Ⅱ)的效果。上述結(jié)果表明，運行時間與陰極材料是影響還原Cu(