一种利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种工业废水处理方法，具体地说是一种利用金属半燃料电池处理含六价铬废水的方法。
【背景技术】
[0002]随着工业和经济的不断发展，铬及其化合物作为制革、电镀、冶金、油漆、染料等行业的重要原料，得到广泛应用。但与此同时生产过程中不可避免地会产生含铬废水，这些污染物如不经处理直接排入环境中，对水体会造成严重污染，危害生态环境和人体健康。
[0003]废水中铬离子主要以Cr(m)、Cr(VI)的形式存在，其中六价铬毒性很强，而三价铬的毒性极其微小。六价铬对人体具有致癌、致突变的作用，是国际公认的三种致癌金属物之一，也是美国环保署公认的129种重点污染物之一。我国的废水排放标准中规定Cr(VI)的浓度为0.5mg/L，总铬含量不得超过1.5mg/L，因此含铬废水的经济高效处理是非常重要的。国内外研宄者在含铬废水治理方面开展了大量的研宄工作，目前的处理方法包括吸附法、电化学法、离子交换法、膜分离法以及生物法，各种处理方法均有其优缺点。
[0004]由于目前的含铬废水的处理方法都存在一定的不足，因而在原处理方法的基础上进行改进和优化，提高处理效率，加快含铬废水的无毒无害化处理，成为一个新的研宄方向。
[0005]如废水的电化学处理法是各种处理方法中比较有前途的一种技术，它是利用直流电进行溶液氧化还原反应的过程，是利用电解池处理废水，即在电解过程中，阴极放出电子，使废水中某些阳离子因得到电子被还原，阴极起还原剂的作用。阳极得到电子，使废水中某些阴离子因失去电子而被氧化，阳极起氧化剂的作用。废水中的污染物在阴阳两极分别进行氧化还原反应或者与电极反应产物作用，转化为无害成分被分离除去，其处理含铬废水的原理主要是先将有毒的六价铬还原成低毒的三价铬，然后将三价铬沉淀去除。利用电解池处理废水的电化学水处理方法虽具有处理污染物范围广泛、处理效率高、二次污染少等优点，但其消耗电能，处理成本较高的缺点限制了其大规模使用。
[0006]采用微生物燃料电池处理废水是近几年的研宄热点，它在处理废水的同时产生电能，降低了废水的处理成本，可最大限度地实现污水处理的可持续发展。因此在污水处理领域利用电池技术处理废水无疑是污水处理理念的重大革新，具有广阔的应用前景。
[0007]金属半燃料电池(MSFC)是利用金属(镁、铝等)为阳极，以过氧化氢或溶解氧为氧化剂的，兼具燃料电池和电池特征的一种能量转化装置。MSFC的阳极具有电池的特征，即阳极(如Al、Mg等)在电池放电过程中被消耗，阴极具有燃料电池的特征，即氧化剂(如
02、H2O2等)从外部连续地输送到阴极，阴极本身不消耗，因此将这种介于电池和燃料电池之间的电化学能量装换装置成为“半”燃料电池。其具有比能量高、放电电压大且稳定、使用安全、无生态污染以及机械充电时间短等突出优点。金属半燃料电池比微生物燃料电池具有更高的输出电压和电流，因此其在阴极污染物还原、去毒的速率更快、效率更高。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种不用外加电能，在处理废水的同时产生电能，处理成本低的利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法。
[0009]本发明的目的是这样实现的:
[0010]阴极室和阳极室间采用隔膜隔开构成反应器，阳极位于阳极室的内部，阴极位于阴极室的内部，阳极与阴极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，所述阳极为锌、铝、钙、镁、锂、铁及其合金中的一种，所述阴极为石墨，将含铬废水首先引入阴极室，将海水或含氯化钠的溶液引入阳极室，阳极室内阳极溶解放出电子，由导线传递到阴极，六价铬在阴极表面得到电子被迅速还原成三价铬。
[0011]本发明还可以包括:
[0012]1、在阴极室设有搅拌器进行搅拌。
[0013]2、所述氯化钠溶液的浓度为0.7mol/Lo
[0014]本发明以含六价铬的废水作为阴极的燃料，构建金属半燃料电池处理含六价铬的废水，相对于已有技术的电解池而言，不用外加电能，而且可以在处理废水的同时产生电能，降低了处理成本，是一项有发展前景的方法。
[0015]本发明技术手段主要包括容器、阳极、阴极，所述的阳极为锌、铝、钙、镁、锂、铁等金属及其合金中的一种，所述的阴极为石墨等不溶性电极的一种，所述的容器为反应器即双室金属半燃料电池，反应器包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室下端分别有进水口、上端有出水口，阳极位于阳极室的内部，阴极位于阴极室的内部，两极间通过铜导线连接，并与负载连接组成闭合回路。两极室间采用隔膜隔开，可以在阴极室设有搅拌器搅拌，以保证溶液的均匀混合和高效产电。
[0016]金属半燃料电池处理含六价铬等工业废水的方法是将含铬废水首先引入阴极室，将海水或含氯化钠的溶液引入阳极室，阳极室内阳极溶解放出电子，由导线传递到阴极，有毒的六价铬在阴极表面得到电子被迅速还原成低毒的三价铬，达到去毒目的。
[0017]另外，本发明在处理含铬废水的过程中，阳极自身溶解产生的电子由外电路传递到阴极，在阴极表面还原六价铬。不仅不需要外加电能而且同时产生了电能，这样大大降低了处理成本。
[0018]本发明利用金属半燃料电池处理含铬废水比目前的利用微生物燃料电池处理含铬废水有更好的效果，原因是阳极的开路电位更负，使整个电池处理系统产生更高的输出电压，更大的反应电流，因而提高了整个系统的废水处理效果。用本发明处理起始浓度为18mg/L的六价铬，处理80min后，去除率可达约82%，具有处理效果较好、出水水质稳定、处理成本低等优点，具有广阔的应用前景。
[0019]本发明利用金属半燃料电池构建电化学系统处理含铬废水是对电化学水处理方法的一个变革，不需外加电能，而且可以在废水处理的同时产生电能，从而降低水处理成本，具有环境、社会和经济三重效益。
[0020]本发明不仅可以处理含铬废水，还适用于其它水中具有氧化性质的污染物去除(如脱氮、脱氯、偶氮染料脱色、硝基苯转化以及铀转化等)，可有效地将化学能转化为电能，同时获得较好的废水处理效果。
[0021]本发明中电池构型采用双室金属半燃料电池，结构简单，易于组合、扩大处理规模，易于改变操作条件，有利于电池的最优化。
【附图说明】
[0022]图1是本发明电池的结构示意图；
[0023]图2是本发明金属半燃料电池运行期含铬废水的处理效果；
[0024]图3是本发明金属半燃料电池在处理废水时的同步产电性能。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0026]结合图1，本发明的反应器组成包括阳极室I和阴极室2，两极室之间由隔膜3隔开，两电极分别置于阳极室I和阴极室2内部，阳极材料4采用铝板，阴极5采用石墨板。双室反应器的阳极室和阴极室下端和上端分别设有进水口 6、8和出水口 7、9，阴极室采用磁力搅拌，两极间通过铜导线连接，并与负载10、电脑11连接组成闭合回路，负载的调节范围为 I ?10000 Ω 0
[0027]反应器运行时含铬废水由阴极室进水口 8进入阴极室2，间歇运行，每间隔20min取样分析阴极室六价铬浓度，考察六价铬的去除效果。0.7mol/L的NaCl溶液加入阳极室，在阳极室金属阳极溶解放出电子，然后由外电路传递到阴极，在阴极上有毒的六价铬得到电子被还原成低毒的三价铬，达到去毒的效果。由于本发明的反应器就是金属半燃料电池，因此可在同步处理废水时产生电能，降低了废水的处理成本。
[0028]试验结果如下:
[0029]图2为本发明金属半燃料电池稳定运行期含铬废水的处理效果。由图2可知，六价铬处理浓度为18mg/L，运行20、80min时，六价铬的去除率分别为51.1%和82.4%，具有较好的去除效果。
[0030]图3为本发明构建的金属半燃料电池在处理含铬废水时同步产电性能。通过改变外电路的连接电阻测定功率曲线。由图3可知，金属半燃料电池的最大输出功率为23.5W/
m3o
[0031]因此，本发明提供了一种新型的利用金属半燃料电池处理含铬废水的方法。该法具有处理成本低，同步产生电能的优点，在实际应用中具有广泛的应用前景。
【主权项】
1.一种利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法，其特征是:阴极室和阳极室间采用隔膜隔开构成反应器，阳极位于阳极室的内部，阴极位于阴极室的内部，阳极与阴极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，所述阳极为锌、铝、钙、镁、锂、铁及其合金中的一种，所述阴极为石墨，将含铬废水首先引入阴极室，将海水或含氯化钠的溶液引入阳极室，阳极室内阳极溶解放出电子，由导线传递到阴极，六价铬在阴极表面得到电子被迅速还原成三价铬。
2.根据权利要求1所述的利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法，其特征是:在阴极室设有搅拌器进行搅拌。
3.根据权利要求1或2所述的利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法，其特征是:所述氯化钠溶液的浓度为0.7mol/L?
【专利摘要】本发明提供的是一种利用金属半燃料电池处理废水中六价铬的方法。阴极室和阳极室间采用隔膜隔开构成反应器，阳极位于阳极室的内部，阴极位于阴极室的内部，阳极与阴极间通过导线连接、并与负载连接组成闭合回路，所述阳极为锌、铝、钙、镁、锂、铁及其合金中的一种，所述阴极为石墨，将含铬废水首先引入阴极室，将海水或含氯化钠的溶液引入阳极室，阳极室内阳极溶解放出电子，由导线传递到阴极，六价铬在阴极表面得到电子被迅速还原成三价铬。本发明利用金属半燃料电池构建电化学系统处理含铬废水是对电化学水处理方法的一个变革，不需外加电能，而且可以在废水处理的同时产生电能，从而降低水处理成本，具有环境、社会和经济三重效益。
【IPC分类】C02F1-467, C02F1-62
【公开号】CN104787860
【申请号】CN201510175576
【发明人】陈野, 温青, 王宇洋
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月14日