一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法与流程

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法。

背景技术：

随着工业化进程的不断发展，工业废水排放越来越引起人们的关注。人们在探索应对工业污染的过程中，已不单纯局限于污染物的去除和降解，而是要求实现废水净化的同时实现能源或资源的回收。废水中的化学物质是一个潜在的能量与物质来源。其中，废水中的氧化还原物种占相当大的比例，尤其是高价金属化合物。此外，高氧化态金属化合物往往表现出较高的迁移性和危害性，如高价放射性金属，如u(vi)，tc(vii)，np(v)和pu(vi)，以及致癌性的重金属cr(vi)和v(v)等。因此，将其还原为低氧化态，可以最大限度地降低其环境危害性。常规技术主要有化学还原，生物还原和电化学还原等。以上方法虽然较为有效地缓解其毒性和迁移性的问题，但也造成了大量药剂和能源投入，如果能将废水中的蕴含的能量加以回收，将能节约大量的水处理成本，并能取得一定的社会经济效益。

从氧化还原电位分析可知，高价金属离子具有较高的氧化还原电位。电化学技术可被用于处理及回收重金属，同时也有可能将废水中的能量收集并将其转化成电能。在实际的水处理过程中，电解槽电解技术可将水中重金属离子还原或氧化，但该过程消耗电能，增加了废水处理成本；原电池微电解技术处理效率较高，但无法收集废水中的能量。如果利用原电池原理，构建合适的电化学能量回收装置，以废水中高价金属离子作为电子受体，同时选择氧化还原电位较低的物质作为电子供体，可将高价金属离子自身蕴含的能量转化出来，同时降低金属离子的毒性。

申请号为201110386545.7的中国专利公开了一种自产电能同时去除金属离子的装置及其方法，该装置分为阳极室和阴极室，中间为离子或质子交换膜，阳极室为还原性物质的水溶液，阴极室为高价金属离子，但离子或质子交换膜价格较高，且在废水中容易老化，不适用于大范围推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法，操作方便，对原料和设备要求低，可对高价重金属污染的废水进行处理，成本低、效果好，便于实际应用。

本发明提供的一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置；它包括电化学系统；所述电化学系统包括至少一个原电池单元；每个原电池单元包括：

活泼金属阳极，所述活泼金属阳极的材质为标准电极电位为负值的金属；

多孔催化阴极，所述多孔催化阴极包括多孔导电基体；

多孔介电隔离层，其将所述活泼金属阳极和所述多孔催化阴极分隔开来。

上述的水处理装置中，所述活泼金属阳极的材质可为廉价的铝、铁或锌。

上述的水处理装置中，所述多孔催化阴极的孔隙率可为30％～90％(如60％)。所述多孔催化阴极的厚度可为1～10mm(如5mm)。

所述多孔导电基体可为石墨毡(石墨纤维毡)、碳布、碳纸、泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛。

所述多孔催化阴极还可包括负载在所述多孔导电基体上的催化剂。所述催化剂可为聚苯胺、聚吡咯、钯、金或铂。所述催化剂的负载量可为0～50mg/cm²，如10mg/cm²。

上述的水处理装置中，所述多孔介电隔离层的材质可为廉价的聚氨酯、尼龙或聚丙烯纤维，为多孔亲水层。

所述多孔介电隔离层的孔隙率可为40％～70％(如70％)，孔径可为0.1～1.2μm(如0.8μm)。

所述多孔介电隔离层的厚度可为1～5mm(如2mm)。

上述的水处理装置中，所述电化学系统中电极的连接方式可为单极连接或复极连接；

所述原电池单元的个数为1个，所述连接方式为单极连接，具体如下：原电池单元中的活泼金属阳极和多孔催化阴极通过导线与外接电阻或储能装置ⅰ相连；

所述原电池单元的个数为大于等于2个，所述连接方式为复极连接，具体如下：第一个原电池单元中的活泼金属阳极和最后一个原电池单元中的多孔催化阴极通过导线与外接电阻或储能装置ⅰ相连；第一个原电池单元中的多孔催化阴极和第二个原电池单元中的活泼金属阳极通过导线相连，第二个原电池单元中的多孔催化阴极和第三个原电池单元中的活泼金属阳极通过导线相连，依次类推；每个所述原电池单元之间由所述多孔介电隔离层隔离开来。

上述的水处理装置还包括原水储水罐、预处理单元、ph调节单元、沉淀分离单元和储能装置ⅱ；所述原水储水罐、所述预处理单元、所述ph调节单元、所述电化学系统和所述沉淀分离单元依次连接；所述预处理单元用于对废水原水进行初级过滤；所述储能装置ⅱ与所述电化学系统连接，用于储存所述电化学系统中产生的电能；所述沉淀分离单元用于通过调节废水的ph值使得到的低价金属离子共沉淀。

本发明进一步提供了利用上述水处理装置实现同步产电和转化废水中高价金属离子的方法，包括如下步骤：含高价金属离子废水穿过所述多孔催化阴极，所述活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻和/或储能装置ⅰ将电子传递至所述多孔催化阴极，所述高价重金属离子在所述多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价金属离子，完成同步产电和高价金属离子的转化。

上述的方法中，所述高价金属离子可为cr(vi)、v(v)、u(vi)、tc(vii)、np(v)或pu(vi)。

所述含高价金属离子废水的进入方向可与电极平行。

上述的方法中，所述高价金属离子可在所述多孔催化阴极表面负载的催化剂的作用下还原。所述高价金属离子的还原是通过多孔催化阴极表面的催化剂直接还原(催化剂通过自身价态的变化将电子间接传递给高价金属离子，从而使其还原)，或产生的活性物种间接还原实现的(电子还原氢离子产生氢自由基)；所述催化剂的存在可以加速还原过程，使电子更容易传递给高价金属离子。活泼金属阳极失去电子，其本身转化为游离态离子。

上述的方法中，通过调节所述外接电阻的大小，控制电压和电流，进一步控制高价金属离子的还原速率。所述储能装置ⅰ可将产生的电能储存起来。

上述的方法在还原高价金属离子前还包括将废水原水依次进行初级过滤并调节ph的步骤。

上述的方法在还原高价金属离子后还包括通过调节废水的ph值使得到的低价金属离子共沉淀的步骤。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明水处理装置以活泼金属为阳极，以多孔导电材料负载催化剂为阴极，含高价金属离子的废水穿过多孔催化阴极，活泼金属阳极失去电子并通过所接电阻将电子传递至多孔催化阴极，高价金属离子在所述多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价金属离子，完成同步产电和高价金属离子的转化。本发明方法对原水适应性强(高价金属离子浓度10ug/l～200mg/l)、ph适用范围广(0～5.0)，可同时实现产电和还原高价重金属离子。

(2)本发明装置和方法操作方便，对原料和设备要求低，可对高价重金属(如铬、钒等)污染的水进行处理，效果好，重金属离子去除率达到90％以上，产电功率密度达810w/m³，为工业化和规模化实现同步产电和去除水中高价重金属离子提供了一种新方法和新应用。

附图说明

图1为本发明同步产电和还原高价重金属离子的水处理装置的结构示意图。

图1中，各表示表示如下：

①原水储水罐、②预处理单元、③ph调节单元、④电化学系统、⑤储能装置ⅱ、⑥沉淀分离单元。

图2为实施例1同步产电和还原高价重金属离子的水处理装置中的电化学系统(单极式)的结构示意图。

图3为实施例2同步产电和还原高价重金属离子的水处理装置中的电化学系统(复极式)的结构示意图。

图2和图3中各标示如下：1活泼金属阳极、2多孔介电隔离层、3多孔催化阴极、4外接导线、5外接电阻(或储能装置ⅰ)。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中多孔催化阴极石墨毡上的催化剂聚苯胺采用恒电流多步电沉积法制备，具体如下：将多孔导电基体石墨毡置于电解液(0.5m苯胺单体，1m高氯酸溶液)中，先在电流密度2.0macm^-2沉积10min，随后是1.0macm^-2沉积2hr，最后0.5macm^-2沉积2hr，得到负载在石墨毡上的聚苯胺(负载量为10mg/cm²)。

如图1所示，本发明水处理装置包括原水储水罐①、预处理单元②、ph调节单元③、电化学系统④、储能装置ⅱ⑤和沉淀分离单元；原水储水罐①、预处理单元②、ph调节单元③、电化学系统④和沉淀分离单元⑥依次连接；预处理单元②用于对废水原水进行初级过滤；储能装置ⅱ⑤与电化学系统④连接，用于储存电化学系统中产生的电能；沉淀分离单元⑥用于通过调节废水的ph值使得到的低价金属离子共沉淀。

如图2和图3所示，电化学系统④包括至少一个原电池单元；每个原电池单元包括：

材质为标准电极电位为负值(如铝、铁或锌)的活泼金属阳极1；

由多孔导电基体(如石墨毡、碳布、碳纸、泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛)和负载在多孔导电基体上的负载量为0～50mg/cm²的催化剂(如聚苯胺、聚吡咯、钯、金或铂)构成的孔隙率为30％～90％，厚度为1～10mm的多孔催化阴极3；

孔隙率为40％～70％，孔径为0.1～1.2μm，厚度为1～5mm的多孔介电隔离层2，其将所述活泼金属阳极和所述多孔催化阴极分隔开来；

电化学系统中电极的连接方式为单极连接或复极连接。

原电池单元的个数为1个，连接方式为单极连接，具体如下：原电池单元中的活泼金属阳极和多孔催化阴极通过导线与外接电阻或储能装置ⅰ相连；

原电池单元的个数为大于等于2个，连接方式为复极连接，具体如下：第一个原电池单元中的活泼金属阳极和最后一个原电池单元中的多孔催化阴极通过导线与外接电阻或储能装置ⅰ相连；第一个原电池单元中的多孔催化阴极和第二个原电池单元中的活泼金属阳极通过导线相连，第二个原电池单元中的多孔催化阴极和第三个原电池单元中的活泼金属阳极通过导线相连，依次类推；每个所述原电池单元之间由所述多孔介电隔离层隔离开来。

使用方法如下：原水储水罐①中含高价金属离子的废水依次进入预处理单元②对废水进行初级过滤，ph调节单元③调节ph值，然后进入电化学系统④，在电化学系统④中，废水沿着电极的方向从a处穿过多孔催化阴极，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻和/或储能单元将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，高价金属离子在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价金属离子，还原后的废水由b排出，从电化学系统④排出的废水进入沉淀分离单元⑥，通过调节还原后的废水的ph值使得到的低价金属离子共沉淀，达到从水中分离的效果，排出废水，即可完成同步产电和高价金属离子的转化。

实施例1、同步产电和还原高价重金属离子的水处理装置(单极式)

一、水处理装置的结构

如图2所示，本实施例同步产电和转化高价金属离子的水处理装置中的电化学系统④包括1个原电池单元；该原电池单元包括：

厚度为3mm的铁板构成的活泼金属阳极1；

由多孔导电基体石墨毡(石墨纤维的平均直径为15微米)和负载在石墨毡上的负载量为10mg/cm²的催化剂聚苯胺构成的厚度为5mm、孔隙率为60％的多孔催化阴极3；

孔隙率为70％、孔径为0.8μm、厚度为2mm的聚丙烯纤维构成的多孔介电隔离层2，其将活泼金属阳极1和多孔催化阴极3分隔开来；

活泼金属阳极1和多孔催化阴极3通过导线4与电阻为10ω的外接电阻5相连。

二、利用上述水处理装置对废水进行处理

1、对含浓度为10mg/l六价铬的废水进行处理

利用上述水处理装置对含10mg/l六价铬废水进行处理，包括如下步骤：

将含浓度为10mg/l六价铬离子的废水的ph值调节为2.0，以0.1cm/s的流速沿电极方向(箭头所示)穿过多孔催化阴极，停留时间50s；输出电压为0.4v，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，六价铬在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价铬(三价)，调节废水的ph值为8.0使低价金属离子(等量的三价铬和三价铁)共沉淀，将沉淀从废水中除去，即可完成同步产电和六价铬离子的转化。六价铬去除率达到90％，产电功率密度为6.4w/m²。产电功率密度公式：p＝ui/a＝0.4v*0.04a/0.0025m²＝6.4w/m²，其中u是输出电压，i是电流，a是阴极的面积。

2、对含100mg/l六价铬的废水进行处理

利用上述水处理装置对含100mg/l六价铬废水进行处理，包括如下步骤：

将含100mg/l六价铬离子的废水调节ph值为1.5，以0.1cm/s的流速沿电极方向(箭头所示)穿过多孔催化阴极3，停留时间50s；输出电压为0.65v，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，六价铬在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价铬(三价铬)，调节废水的ph值为8.0使低价金属离子(等量的三价铬和三价铁)共沉淀，将沉淀从废水中除去，即可完成同步产电和六价铬离子的转化。六价铬去除率达95％，产电功率密度为16.9w/m²。产电功率密度计算公式：p＝ui/a＝0.65v*0.065a/0.0025m²＝16.9w/m²，其中u是输出电压，i是电流，a是阴极的面积。

实施例2、同步产电和还原高价重金属离子的水处理装置(复极式)

一、水处理装置的结构

如图3所示，本实施例同步产电和转化高价金属离子的水处理装置中的电化学系统④包括6个原电池单元；每个原电池单元包括：

厚度为3mm的铁板构成的活泼金属阳极1；

由多孔导电基体石墨毡(石墨纤维的平均直径为15μm)和负载在石墨毡上的负载量为10mg/cm²的催化剂聚苯胺构成的厚度为5mm、孔隙率为60％的多孔催化阴极3；

孔隙率为70％、孔径为0.8μm、厚度为2mm的聚丙烯纤维构成的多孔介电隔离层2，其将活泼金属阳极1和多孔催化阴极3分隔开来；

第一个原电池单元中的活泼金属阳极1和第六个原电池单元中的多孔催化阴极3通过导线4与电阻为50ω的外接电阻5相连；第一个原电池单元中的多孔催化阴极3和第二个原电池单元中的活泼金属阳极1通过外接导线4相连；第二个原电池单元中的多孔催化阴极3和第三个原电池单元中的活泼金属阳极1通过外接导线4相连，依次类推；每个原电池单元之间由多孔介电隔离层2隔离开来。

二、利用上述水处理装置对废水进行处理

1、对含浓度为50mg/l六价铬的废水进行处理

利用上述水处理装置对含50mg/l六价铬废水进行处理，包括如下步骤：

将含浓度为50mg/l六价铬离子的废水的ph值调节为2.0，以1cm/s的流速沿电极方向(箭头所示)穿过多孔催化阴极，停留时间5s；输出电压为1.2v，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，六价铬在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价铬(三价)，调节废水的ph值为8.0使低价金属离子共沉淀(三价铬和三价铁)，将沉淀从废水中除去，即可完成同步产电和六价铬离子的转化。六价铬去除率达到95％，产电功率密度为230w/m³。产电功率密度计算公式：p＝ui/v＝1.2v*0.024a/0.000125m³＝230w/m³，其中u是输出电压，i是电流，v是电极组的体积。

2、对含浓度为100mg/l六价铬的废水进行处理

利用上述水处理装置对含100mg/l六价铬废水进行处理，包括如下步骤：

将含浓度为100mg/l六价铬离子的废水的ph值调节为2.0，以5cm/s的流速沿电极方向(箭头所示)穿过多孔催化阴极，停留时间1s；开路电压为1.55v，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，六价铬在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价铬(三价)，调节废水的ph值为8.0使低价金属离子共沉淀(三价铬和三价铁)，将沉淀从废水中除去，即可完成同步产电和六价铬离子的转化。六价铬去除率达到90％，产电功率密度为384w/m³。产电功率计算公式：p＝ui/v＝1.55v*0.031a/0.000125m³＝384w/m³，其中u是输出电压，i是电流，v是电极组的体积。

3、对含浓度为100mg/l六价铬的废水进行处理

利用上述水处理装置对含100mg/l六价铬废水进行处理，包括如下步骤：

将含浓度为100mg/l六价铬离子的废水的ph值调节为2.0，以10cm/s的流速沿电极方向(箭头所示)穿过多孔催化阴极，停留时间1s；开路电压为2.25v，活泼金属阳极失去电子并通过外接电阻将电子传递至多孔催化阴极，在催化剂的作用下，六价铬在多孔催化阴极的表面得到电子被还原为低价铬(三价)，调节废水的ph值为8.0使低价金属离子共沉淀(等量的三价铬和三价铁)，将沉淀从废水中除去，即可完成同步产电和六价铬离子的转化。六价铬去除率达到90％，产电功率密度为810w/m³。产电功率计算公式：p＝ui/v＝2.25v*0.045a/0.000125m³＝810w/m³，其中u是输出电压，i是电流，v是电极组的体积。