同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电的电池

1.本发明涉及的是一种化工废水处理领域的技术，具体是一种基于电化学中和反应的同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电的电池。


背景技术：

2.随着我国经济的快速发展，生活及工业中的高盐废水、废酸废碱排放量剧增，已造成局部水体区域严重污染。目前，上述各类废液均需要用不同的技术装置进行处理。现有的高盐废水处理技术主要是反渗透技术，但该项技术成本投入高和耗能大等缺点仍制约着其大规模的应用。而现有的废酸废碱处理则主要是通过废酸废碱的直接混合，处理过程中产生大量的废热，经济和环保效益低。
3.现有脱盐和能量储存技术的能耗主要依靠金属及其络合物的氧化还原反应驱动，须使用外加能耗先充电才可工作，不具备连续性生产操作特性。同时，脱盐及其逆过程都在该现有发明技术装置上发生，循环重复运行下易导致脱盐处理并不彻底，且理论能量密度将受限于金属络合物活性物质在水中的较低溶解度，导致脱盐工艺规模化受限。另外，现有技术装置并不能同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电的电池，通过利用在酸性条件下消耗h
+
离子的气体参与的还原反应作为正极反应和在碱性条件下消耗oh-离子的气体参与的氧化反应作为负极反应，以废酸废碱作为电化学活性物质，并分别用阳离子交换膜和阴离子交换膜隔开，高盐废水则流通于由阳离子交换膜和阴离子交换膜隔开出来的中间腔室。在放电或进行电化学中和的过程中，实现废酸废碱电化学中和处理，并驱动中间腔室内的高盐废水的阳离子(例如na
+
离子)和阴离子(例如cl-离子)分别穿过阳离子和阴离子交换膜传输至正、负极电解液腔室，实现高盐废水脱盐。本发明电池装置可连续发电同步驱动高盐废水脱盐并处理废酸废碱，无需外加能耗，无废气废液产生，具备可连续性生产操作特性，且易于技术工艺规模化。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电的电池，包括：通过内部的正、负电极、阳、阴离子交换膜并分隔得到的三个液体腔和两个气体腔，其中：位于两侧的第一腔和第五腔设置为流通气体的空腔，第一腔和第五腔侧边对角均有两个用于流通气体的通道；位于其间的第二腔和第四腔内分别注入正、负极电解液并作为正极电解液腔和负极电解液腔；位于中间的第三腔内装高盐废水，第一和第二腔之间、第二和第三腔之间、第三和第四腔之间以及第四和第五腔之间依次设有正电极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和负电极。
7.所述的流通气体为氢气、氧气或空气。
8.所述的产电是指：废酸、废碱将分别置于正、负极电解液腔，正、负电极的气体扩散
电极或其催化剂层分别与废酸溶液和废碱溶液相接触，当电池连接上负载或进行放电，负极发生在碱性条件下消耗oh
′
离子的气体参与的氧化反应并放出电子，电子经外电路流通至正极并使得在酸性条件下消耗h
+
离子的气体参与的还原反应发生；参与的气体流通于外端两侧气体腔，在电池装置中自循环或通过外接管道导向所需电极。
9.所述的反应包括：一个oh-离子和一个h
+
离子生成一个水分子，即废酸废碱以电化学的形式得到了中和处理，该中和反应对应的理论放电电压为0.83v；当电池内部流通放电电流，中间腔内的高盐废水的阳离子(例如na
+
离子)将会在电场的驱动下穿过阳离子交换膜传输至正极电解液腔，而中间腔内的高盐废水的阴离子(例如cl-离子)将会穿过阴离子交换膜传输至负极电解液腔，连续驱动下从而达到高盐废水脱盐的效果，其反应方程为：
10.正极反应：2h2(g)
→
4h
+
(aq)+4e-，eo＝0.00v或o2(g)+4h
+
(aq)+4e-→
2h2o(1)，eo＝1.23v；
11.负极反应：2h2(g)+4oh-(aq)
→
4h2o(l)+4e-，eo＝-0.83v或4oh-(aq)
→
o2(g)+2h2o(l)+4e-，eo＝0.40v。
12.所述废液可直接取自工业生产中所排放的废酸、废碱及高盐废水。
13.所述的废酸溶液，优选在处理前ph小于1。
14.所述的废碱溶液，优选在处理前ph大于13。
15.所述的高盐废水溶液，优选在处理前总含盐浓度大于0.1m。技术效果
16.本发明利用在酸性条件下消耗h
+
离子的气体参与的还原反应作为正极反应和在碱性条件下消耗oh-离子的气体参与的氧化反应作为负极反应，对废酸废碱进行电化学中和处理并同步驱动高盐废水脱盐，是一种可连续放电、高效、高能密度、低成本的同步处理三种废液(即高盐废水和废酸废碱)的关键技术电池装置，能更经济高效地同步处理上述多种废液。目前，现有反渗透高盐废水脱盐技术耗能大，同时，废酸废碱的直接混合处理效益低并产生大量的废热。相比较于这些典型的现有技术，利用电化学中和能，对废酸废碱进行处理并同步驱动高盐废水脱盐，无外加能耗和无需充电，且设备投入小。典型技术效果为：该电池装置脱盐的最高效率能够达到92.4％，并同时完成废酸废碱的电化学中和处理。处理过程中，废酸废碱电化学中和能转化为电能，其转化效率最高能够接近100％，具有很好的实际应用前景。
附图说明
17.图1为本发明电池装置结构示意图；
18.图中：1第一腔、2第二腔、3第三腔、4第四腔、5第五腔、6正极电极、7阳离子交换膜、8阴离子交换膜、9负极电极、10负载；
19.图2为实施例1在100ma的电流下的恒电流放电曲线示意图；
20.图3为不同浓度的氯化钠溶液的离子电导率示意图；
21.图4为实施例2在100ma的电流下的恒电流放电曲线示意图；
22.图5为实施例3的分步恒电流放电测试示意图；
23.图6为实施例4的多步恒流放电测试曲线示意图；
24.图7为实施例4更换氯化钠溶液后继续放电的放电曲线示意图；
25.图8为实施例5使用复合膜作为阳离子交换膜的多步恒电流放电曲线示意图；
26.图9为实施例6在分步放电的条件下的恒流放电曲线示意图；
27.图10为实施例7的恒流放电曲线示意图；
28.图11为实施例8在流动的条件下的放电曲线示意图；
29.图12为实施例9的恒流放电曲线示意图；
30.图13为实施例10的恒流放电曲线示意图。
31.图14为实施例11的恒流放电曲线示意图。
32.图15为实施例12的恒流放电曲线示意图。
具体实施方式
33.如图1所示，为以下实施例所涉及的同步处理废酸废碱及驱动高盐废水脱盐并产电的电池，包括五个腔，分别为第一腔、第二腔(即正极电解液腔)、第三腔(即中间腔)、第四腔(即负极电解液腔)和第五腔，其中：正电极、阳离子交换膜、阴离子交换膜和负电极分别依次设置于五个腔之间。
34.上述各个组件通过直径为6mm，长度为15mm的螺丝固定。
35.第一腔为流通气体的空腔；第二腔盛有正极电解液；第三腔盛有盐溶液或者高盐废水；第四腔盛有负极电解液；第五腔为流通气体的空腔。第一腔和第五腔侧边对角有两个用于流通气体的通道。对于大量或连续性操作，腔体侧边对角均可设有液体流通通道，可简单通过液体连续流通来实现。
36.所述的正极和负极均主要为气体扩散电极(有效活性面积约为16cm2)。
37.所述的流通的气体包括氢气、氧气、空气。
38.所述的离子交换膜均为市售产品。
39.本实施例涉及上述装置的实现方法，电池装置通过正极、阳离子交换膜、阴离子交换膜，负极隔出五个腔。具体安装顺序为第一腔、气体扩散电极(正极)、第二腔、阳离子交换膜、第三腔、阴离子交换膜、第四腔、气体扩散电极(负极)和第五腔，各个组件之间通过添加硅胶垫片以防止漏液。
40.本实施例涉及上述电池装置的工作过程，包括：
41.步骤1)正极电解液制备：利用去离子水配置成份单一的废酸模拟液(即1m的盐酸)或者成份复杂的废酸模拟液。该成分复杂的废酸模拟液是基于钛白粉生产过程中产生的废酸。配方如表1所示。
42.表1
43.步骤2)负极电解液制备：利用去离子水配置成份单一的废碱模拟液(即1m的氢氧化钠溶液)或者成份复杂的废碱模拟液。该成份复杂的废碱模拟液组分及含量来源于石油化工产业，主要由生产直馏柴油，润滑油，碱洗精的过程中产生。配方如表2所示。
44.表2
45.步骤3)盐溶液的制备：利用去离子水配置成份单一的高盐废水溶液(即1m的氯化钠溶液)或者成份复杂的高盐废水溶液。所述的成份复杂的高盐废水为工业上一些发酵、制药，轻工行业所产生的废水，其中含有大量的钠离子、氯离子和硫酸根离子。配方如表3所示。
46.表3
47.步骤4)正极的制备：正极和负极的制备方法完全相同。其制备过程如下：
①
将20mg的铂碳催化剂、150mg导电碳黑与1ml粘结剂溶液(50wt％ptfe溶液)混合研磨后涂于疏水碳布上涂有碳的一面。
②
将制备的电极置于60℃烘箱中2h以去除涂敷物中的溶剂。
③
待电极被烘干后，将该电极放置于铝箔内并用10mpa的压力压制成型。
48.步骤5)负极的制备：本发明使用了两种负极，第一种负极为气体扩散电极，制备方法与正极的制备方法相同；第二种负极为固体负极，以泡沫镍作为集流体，将羟基氧化镍作为催化剂涂敷在泡沫镍表面并使用40mpa的压力压制成型。本发明的实施例中如未额外标注，则使用的负极为气体扩散电极。
49.步骤6)离子交换膜的预处理：所有阴、阳离子交换膜在使用前均被置于0.5m nacl溶液中浸泡24h。
50.所述的电池装置的测试包括恒电流放电测试和分步恒电流放电测试，其通过电化学测试仪实现。
51.所述的能量转化效率为实际放电容量与废酸溶液或废碱溶液所对应的理论放电容量之间的比值。
52.所述的脱盐效率为放电后高盐废水溶液的离子电导率与放电前的离子电导率之间的比值。
53.所述的电化学中和效率为放电过程消耗的酸(或者碱)的量与初始状态酸(或者碱)的量的比值。
54.所述的电化学测试均在1个大气压，25℃的条件下进行。
55.在每次放电结束后，立即收集第二腔，第三腔，第四腔中的溶液，并进行离子电导率和ph值的测量。通过测试ph值的变化，来确定废酸废碱的处理效率。通过测量离子电导率或离子色谱仪测试，来确定该电池装置的高盐废水的脱盐效率。实施例1
56.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
57.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧
化钠)溶液分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)，第三腔的液体为静态。
58.第一腔和第五腔通过外接软管通入氢气。
59.对电池进行恒电流放电测试，测试电流为100ma。
60.如图2所示，该电池装置能够在100ma的电流下稳定放电，这说明本电池装置能够将电解液中的化学能转化为电能。在该放电或同步处理过程中，正极反应为在酸性条件下消耗h
+
离子的还原或析氢反应，负极反应为在碱性条件下消耗oh-离子的氢气氧化反应。电池的平均放电电压在0.5v左右，且能够稳定工作2.5小时。根据电池的容量和理论容量的比值分析，该电池的能量转化效率为58.6％。
61.对放电之后的溶液进行收集并进行ph值和离子电导率的测试。在放电之后，正极电解液的ph值上升幅度为0.27，负极电解液的碱性也有所减弱，下降幅度为0.17。这实验数据说明正极的酸性电解液和负极的碱性电解液均在放电过程中得到一定程度的电化学中和。
62.将放电后的第三腔的离子电导率和放电之前的离子电导率进行比较，则可以发现氯化钠溶液的离子电导率从放电前的18.31ms/cm下降到放电后的12.32ms/cm。如图3所示，则可以发现氯化钠的浓度只有初始浓度的67.9％，这表明该发明电池装置具备脱盐的功能。
63.该实施例在整个同步处理过程中的平均放电电压为0.45v，并放出251.13mah的电量。实施例2
64.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
65.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。
66.第一腔与空气直接接触，而第五腔中通入的气体为氢气。
67.对电池进行恒电流放电测试，放电电流为100ma。
68.根据图4所示恒流放电曲线，该电池装置能够进行恒电流放电。在该放电或同步处理过程中，正极反应为在酸性条件下消耗h
+
离子的氧气还原反应，负极反应为在碱性条件下消耗oh-离子的氢气氧化反应。而且，在100ma的大电流下，放电电压能够达到0.7v左右，并且能够持续放电约2.5小时。
69.该实施例在整个同步处理过程中的平均放电电压为0.65v，并放出246.56mah的电量。实施例3
70.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
71.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。
72.第一腔与空气直接接触，而第五腔通入氢气。
73.在放电过程中，采用多步恒电流放电的模式。首先让电池依次在100ma,50ma,25ma
的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池放电电压低于0.01v或者放电时间大于6小时。
74.如图5所示，在使用多步放电后，电池在100ma的电流下放电到0.01v后，还能在其他更小的电流下继续放电。在第一阶段的放电时间为2小时58分钟，在第二阶段的放电时间为1小时47分钟。第一阶段的放电容量为298.1mah，第二阶段的放电容量为89.86mah。相比较于实施例2，在相同电池结构及电极反应的条件下，分步恒电流放电更有利于增加电池的放电容量。
75.在放电结束后，第二腔的酸性电解液的ph值在放电后变为12.6，由强酸变为弱碱性。而第四腔的碱性电解液的ph值下降幅度为0.66，放电后的ph值为12.72。以上数据均表明酸、碱电解液得到显著的电化学中和处理。
76.第三腔的氯化钠溶液的离子电导率由放电前的18.31ms/cm降低到放电后的6.44ms/cm，其脱盐效率达到了64.8％，高于实施例2中的一步恒电流放电。另外，基于放电容量的计算，可以发现本电池装置的能量转化效率为90.5％。这直接表明多步恒电流放电能够提高本电池装置的能量转化效率。
77.该实施例在100ma和50ma的电流下的平均放电电压分别为0.6687v和0.3382v，并一共放出387.95mah的电量。实施例4
78.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
79.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。
80.第一腔与空气直接接触，而第五腔通入氢气。
81.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。在放电结束后，用新鲜的氯化钠溶液替换掉已经脱盐后的氯化钠溶液，然后重新用相同的放电方法对电池进行再放电。
82.如图6所示，在多步放电的条件下，电池能够贡献出431.56mah的容量，这个放电的容量略高于理论容量428.82mah，这表明了该体系可展示接近100％的能量转化效率。第一次放电结束后的氯化钠溶液的离子电导率仅为3.77ms/cm，这意味着脱盐效率达到了79.4％。相比较于实施例1，这两个参数指标更高。另外，如图7所示，通过替换已脱盐的溶液，可使该电池装置继续工作，放电的容量为21mah，让酸碱电化学中和程度更高。
83.在第二次放电结束后，氢氧化钠溶液的ph值下降幅度为1.47，放电后ph值为11.91，这个值低于实施例3中的12.72，这也表明使用过量的盐溶液有利于极大地提高电化学中和的程度。
84.该实施例在150ma，100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压分别为0.41v，0.28v，0.32v，0.35v，并一共放出431.56mah的电量。实施例5
85.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
86.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液
(1.0m的氢氧化钠)分别作为正负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。
87.第一腔与空气直接接触，而第五腔通入氢气。
88.在本实施例中，阴离子交换膜相比于实施例3无变化，但是使用阴离子交换膜和阳离子交换膜物理叠压而成的复合膜替换实施例3中的阳离子交换膜，且复合膜中的阳离子交换膜一面与盐酸溶液相接触。
89.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。
90.如图8所示，使用内阻较大但阻隔效果更佳的复合膜也能够正常工作，其放电容量为407.64mah，放电曲线与实施例4相似。
91.与初始状态相比，放电或处理后的酸和碱溶液的酸碱性显著减弱。其中，第二腔酸性溶液ph值为9.57，而第四腔碱性溶液ph值为12.51。这表明该体系通过电化学方法可以有效电化学中和处理酸和碱。放电后氯化钠溶液的离子电导率为7.95ms/cm，经计算可知脱盐效率为56.57％。
92.该实施例在150ma，100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压分别为0.41v，0.33v，0.39v，0.46v，并一共放出407.64mah的电量。实施例6
93.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
94.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔中液体为静止状态。
95.第一腔和第五腔通入氢气。
96.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。
97.本实施例的电池结构和电极反应与实施例1相同。采用分步恒电流放电后的测试结果如图9所示。从图中可以看出，由于内阻较大，电池在150ma的电流密度下放电时间短，但能在其他电流密度下正常工作。放电或处理结束后，第二腔中的酸性溶液的ph值上升，第四腔中的碱性溶液的ph值下降，这表明该电池装置能够电化学中和酸和碱溶液。通过计算实际与理论放电容量之间的比值，可以发现实施例6的能量转化效率能够达到86.23％。另外，放电之后第三腔中溶液的离子电导率为2.482ms/cm，结合图5的标准曲线分析，可以发现实施例6的脱盐效率为86.4％。从上述数据中可以发现本实施例中的脱盐效率和能量转化效率高度匹配。
98.该实施例在100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压均为0.25v，并放出369.79mah的电量。实施例7
99.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
100.使用成分复杂的废酸模拟液和废碱模拟液分别作为正、负极电解液(各16ml)，成
分复杂的高盐废水作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔中液体为静止状态。
101.第一腔和第五腔通入氢气。
102.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。
103.在将成份单一的酸溶液(1m的盐酸)、碱溶液(1m的氢氧化钠)和高盐废水溶液(1m的氯化钠溶液)更换为成份复杂的废酸废碱模拟液后，将其加入到电池相应的各个腔中，然后进行恒电流放电测试。本实施例的电池结构和电极反应与实施例1相同。如图10所示，可以发现该电池能够在100ma的电流下稳定放电，表明该电池装置能够利用处理成份复杂的模拟液并产生稳定的输出电流。对比反应前后的废酸废碱的ph值，可以发现其废酸ph值增幅明显(约0.53)，而废碱的ph值降幅显著(约0.43)，这也意味着废酸中的氢离子和废碱中的氢氧根离子被消耗了，直接表明该电池装置能够处理好成份复杂的废酸和废碱。另外，对比反应前后第三腔的高盐废水的离子电导率，则可以发现其离子电导率从反应初期的15.42ms/cm下降到放电结束时的1.17ms/cm。经计算分析，92.4％的高盐废水中的离子已经通过该同步处理过程脱除。
104.该实施例在150ma，100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压分别为0.39v，0.43v，0.41v，0.34v，并一共放出491.55mah的电量。实施例8
105.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
106.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(60ml)。第三腔中液体为流动状态。
107.第一腔和第五腔通入氢气。
108.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流下放电。在前三个恒流放电过程中，每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。在以25ma的电流放电时，结束条件仅为电压小于0.01v。
109.本实施例的电极反应与实施例1相同，但将第三腔中大量的氯化钠溶液通过蠕动泵使其在腔与储液罐中循环流动起来，处理更大量废液或进行规模化实施。与此同时，对该流动型电池装置进行多步恒流放电测试。实施例8的恒流放电曲线如图11所示，即使第三腔中的氯化钠溶液流动起来，该电池装置也能够正常工作，意味着本发明电池装置易于通过废液循环流动进行规模化设计并能够连续地对多种废液进行同步处理。根据计算分析可知，该电池装置的能量转化效率约为100％。这也意味着酸碱溶液得到充分的处理，同时，电化学中和能够几乎完全将化学能转化为电能并驱动高盐废水脱盐。
110.通过比较第三腔在放电前后的离子电导率，可以发现氯化钠溶液的离子电导率从18.31ms/cm降低为16.58ms/cm，脱盐效果比较明显。进一步加入大量的酸碱溶液进行发电驱动，脱盐程度将会更高。
111.对比反应前后第二腔和第四腔的ph值，废酸的ph值增幅明显(约1.35)，处理后的ph值为1.47。而废碱的ph值降幅也明显(约1.16)，处理后的ph值为12.22。这些数据表明废酸废碱得到极为有效的处理。与实施例6相比较，可以发现第三腔的废液流动可以使得第二
腔中的废酸和第四腔中的废碱的电中和更加充分。
112.该实施例在150ma，100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压分别为0.06v，0.22v，0.41v，0.28v，并一共放出430.47mah的电量。实施例9
113.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
114.使用成份复杂的废酸模拟液和废碱模拟液分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份复杂的高盐废水作为被脱盐的溶液(60ml)。第三腔中液体为流动状态。
115.第一腔和第五腔通入氢气。
116.在放电过程中，采用分步恒电流放电的模式。首先让电池依次在150ma,100ma,50ma,25ma的电流密度下放电。每个放电过程截止条件是电池电压低于0.01v或者放电时间高于6小时。
117.本实施例的电池结构与电极反应与实施例8相同。在将第二，三，四腔的溶液分别更换为成份复杂的废酸模拟液，高盐废水，废碱模拟液后。如图12所示，该电池在高盐废水是流动循环的状态仍然能够稳定地放电。然后，对比放电前后的废酸和废碱ph值，则可以发现放电前后的废酸ph值有所上升(增幅约1.7)，废碱的ph值有所下降(降幅约4.3)，放电或处理后的废酸废碱ph值分别为1.32和9.37。这些数据表明h
+
离子和oh-离子浓度显著降低。最后，对比反应前后高盐废水的离子电导率，可以发现高盐废水的离子电导率从15.42ms/cm下降到7.198ms/cm，其脱盐效率达到了53.32％。结合上述实验数据，该电池装置能够同步处理成分复杂的多种废液并连续产电。
118.该实施例可以进行同步处理过程达20小时，在150ma，100ma，50ma，25ma的电流下的平均放电电压分别为0.09v，0.14v，0.30v，0.24v，并一共放出843.06mah的电量。实施例10
119.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
120.使用成份复杂的废酸模拟液和废碱模拟液分别作为正、负极电解液(各16ml)，成份复杂的高盐废水作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。
121.第一腔和第五腔通过外接软管通入氢气。
122.区别于实施例1，本次测试将阴离子交换膜放置于第二腔和第三腔之间，阳离子交换膜放置于第三腔和第四腔之间，使得废液腔间的离子传输过程相反。本实施例中的电极反应与实施例1相同。
123.使用恒定电电流放电测试对电池进行测试，放电电流为100ma。
124.与实施例1相比较，该电池的离子传输机理不同。在放电过程中，位于第二腔中的h
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离子会得到电子并产生氢气，因此第二腔中阳离子的含量会不断降低。为了使电荷平衡，在电场的驱动及阴离子交换膜的高选择性下，第二腔中废酸的阴离子迁移到第三腔，从而完成了第二腔中溶液的脱盐和第三腔中的离子浓缩。同样地，在负极处，通入第五腔的氢气在气体扩散电极表面发生消耗oh-离子的氧化反应。为了使电荷平衡，在电场的驱动及阳离子交换膜的高选择性下，第四腔中的废碱阳离子迁移到第三腔，从而完成了第四腔的脱盐过程和第三腔的浓缩过程。
125.如图13所示，可以发现该电池装置也能够在这样一种电池结构下，把化学能转化为电能并驱动内部离子传输。对比电池放电前后各腔溶液的ph值，可以发现放电后，第二腔
中的盐酸溶液的ph值有所上升(增幅约0.53)，第四腔中氢氧化钠的ph值有所下降(降幅约0.43)，这一数据表明该电池装置同样具备同步处理废酸废碱的功能。第三腔中的氯化钠溶液的离子电导率从放电初期的15.42ms/cm提升到放电结束的25.55ms/cm，表明该电池装置离子浓缩效果显著。
126.该实施例在整个同步处理过程中的平均放电电压为0.21v，并放出491.47mah的电量。实施例11
127.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
128.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。将第四腔与第五腔用聚四氟乙烯挡板隔开，无气体或液体流通。在第四腔中放置过充的羟基氧化镍电极作为固态负极使用。
129.第一腔与第五腔均与空气直接接触。
130.对电池进行恒定电流放电测试，放电电流为100ma。
131.在该放电或同步处理过程中，本实施例的正极反应为在酸性条件下消耗h
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离子的氧气还原反应，负极反应为在碱性条件下消耗oh-离子的氧气析出反应。如图14所示，该电池装置能够正常处理废酸废碱并放电。而且在5ma的电流下，放电电压能够达到0.04v左右，并且能够持续放电约2.5小时。放出的电量为13.81mah。
132.根据离子色谱的测试结果，第三腔中的氯离子和钠离子的浓度在反应后分别下降到0.76mol/l和0.56mol/l，表明该电池装置放置于空气中运行依旧具备一定的脱盐能力。实施例12
133.本实施例包括以下工艺和测试步骤：
134.使用成份单一的废酸模拟液(1.0m的盐酸)1.0m的盐酸和成份单一的废碱模拟液(1.0m的氢氧化钠)分别作为正负极电解液(各16ml)，成份单一的高盐废水(1.0m的氯化钠溶液)作为被脱盐的溶液(16ml)。第三腔的液体为静态。将第四腔与第五腔用聚四氟乙烯挡板隔开，无气体或液体流通。在第四腔中放置过充的羟基氧化镍电极作为固态负极使用。
135.第一腔通入高纯氧气。
136.对电池进行恒电流放电测试，放电电流为100ma。
137.在该放电或同步处理过程中，本实施例的电极反应与实施例11一致。如图15所示，该电池装置能够正常处理废酸废碱并放电。而且在5ma的电流下，放电电压能够达到0.03v左右，并且能够持续放电约3小时，放出的电量为15.33mah。
138.根据离子色谱的测试结果，第三腔中的氯离子和钠离子的浓度在反应后分别下降到0.76mol/l和0.54mol/l，表明该电池装置在正极通入氧气后也依旧具备一定的脱盐能力。
139.经过上述实施例可知，本发明通过利用在酸性条件下消耗h
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离子的气体参与的还原反应作为正极反应和在碱性条件下消耗oh-离子的气体参与的氧化反应作为负极反应，以废酸废碱作为电化学活性物质，并分别用阳离子交换膜和阴离子交换膜隔开，高盐废水则流通于由阳离子交换膜和阴离子交换膜隔开出来的中间腔。在放电或进行电化学中和的过程中，实现了高盐废水的脱盐、废酸和废碱的电化学中和及产电的三个功能。该电池装置
的脱盐效率和能量转化效率能够达到约86％。在以成份复杂的模拟废酸废碱和高盐废水运行该电池装置时，该电池装置的脱盐效率能够达到92.4％。当利用正极反应为在酸性条件下消耗h
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离子的氧气还原反应和负极反应为在碱性条件下消耗oh-离子的氢气氧化反应，在进行多步恒电流放电后，能够获得接近100％的能量转化效率，具有很好的实际应用前景。另外，在互调离子交换膜的位置后，该电池装置还能够用于离子的浓缩。
140.与现有技术相比，本技术发明电池装置在处理废酸废碱时能够同时完成高盐废水的脱盐，且最优脱盐效率能够达到90％以上，为目前报道的大部分脱盐电池装置的最优表现之一。同时，电池装置运行时无能耗，均由废酸废碱电化学中和能驱动。
141.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。