燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统（AMD-FC）及方法与流程

本发明涉及酸性矿井水能源化处理，具体涉及一种利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统(amd-fc)及方法。

背景技术：

1、本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的
技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。

2、采矿业在发达国家和发展中国家的经济中都起着至关重要的作用。然而，水是受到这一重要活动严重影响的自然资源之一。采矿产生的酸性矿井水被认为是最具灾难性的生态问题之一，是世界范围内一个具有挑战性的环境问题。酸性矿井水具有低ph(一般介于2.3～5.7)，高so42-，同时含有fe2+、fe3+、mn2+及其他金属离子的特点。研究表明，酸性矿井水中总铁含量一般在300～800mg/l之间，部分矿井水甚至超过1g/l。在酸性矿井水中，随着ph的减小，会加速矿物的溶蚀进程，使铁含量增加。此类矿井水酸性强、矿化度高、硬度大，极易腐蚀井下采矿设备，被抽出利用时容易在管道内形成铁垢，增加后续清垢工作成本，并对安全生产造成威胁；随意排放也会破坏河道水环境；酸性矿井水中过高的铁含量对周边地下水的安全造成严重的威胁，当地下水对地表水进行补水会导致地表水中铁的含量增加，威胁到河流湖泊中水生生物的生存；进入河道后，会因无机颗粒物的悬浮聚集而造成河道水体透明度降低。相关研究表明，含铁酸性矿井水进入水体，会发生中和沉淀，底泥以极微小颗粒形态悬浮于水体中，造成水体透明度降低，颜色变黄，不利于酸性矿井水的再处理和资源化利用。因此，对含铁酸性矿井水中铁离子加以去除，既能节省处理工艺的运行成本，又可以在一定程度上减轻地下水环境的负担，实现水资源的循环利用和经济的可持续发展。

3、酸性矿井水的处理目标是提高水的ph值，实现对铁和其他金属的可控去除。目前酸性矿井水常用的处理方法是石灰石中和法，但此方法容易产生二次污染。近年来，随着排放标准和回用要求的提高，常规工艺在处理效果、投资和运行成本方面的问题日益突出，对新技术的需求较为强烈。

4、中国专利cn218879648u公开了一种含铁酸性矿井水处理系统，属于矿井水处理设备技术领域，解决了现有技术中对含铁酸性矿井水的处理效果差的问题。本实用新型包括依次连通的混合反应池、斜管沉淀池、过滤膜池以及与所述混合反应池连通的加药装置，所述斜管沉淀池自上而下分为清水区、分离区、布水区、污泥浓缩区和沉淀区，所述分离区内设有隔离板，所述隔离板上倾斜设有多个分离通道；混合反应池用于去除待处理的含铁酸性矿井水中的铁离子和亚铁离子，得到铁离子沉淀物的混合液，所述斜管沉淀池用于将混合液中的铁离子沉淀物分离，得到一级产水，所述过滤膜池用于对一级产水进行过滤，得到二级产水。本实用新型获得铁含量小于0.3mg/l的二级产水，实现了高效除铁。

5、中国专利cn114014462a公开了基于低成本的酸性矿井水金属离子资源化回收的处理方法，包括如下步骤：步骤1、酸性矿井水的净化：将酸性矿井水抽取至净化设备中进行净化工作，在净化过程中，通过分步逐次沉淀的方式，将酸性矿井水中含有的大量al、fe、mg、mn等金属离子选择性去除，得到纯度高、可资源化利用的沉淀物。本发明通过可选择性的对不同金属沉淀物进行去除，得到纯度高、可资源化利用的沉淀物，大幅降低酸性矿井水治理过程中形成的固废的数量，甚至实现无固废的模式运行，可大幅降低固废再处理的所需成本和酸性矿井水净化工艺的总运行成本，整体净化需求可以根据水质情况及沉淀资源的价值，选择性的对全部或者部分金属沉淀进行资源化回收。

6、中国专利cn113754113a公开了一种还原连续产碱系统处理低ph、高铁、高硫酸盐矿井水的系统，包括反应渠，反应渠内由下至上依次设置有石灰石层、有机质层，有机质层顶部设置水层，石灰石层内通过出水管与沉淀池连接，出水管伸出反应渠的一端设有喷淋阀，使得经由有机质层、石灰石层反应后的水通过喷淋方式进入沉淀池，本发明系统适用于低ph、高铁、高硫酸盐矿井水的处理，通过反应渠中有机层对溶解氧的消耗降低了水体氧化还原电位，导致硫酸根离子被还原而去除；随后石灰石的溶解提高了水体ph值，导致铁、铝、铜等重金属发生沉淀而去除；通过反应渠末端底部的耐腐蚀穿孔管出水，出水通过喷淋方式排入沉淀池，进一步去除其中的三价铁离子。

7、中国专利cn218879648u公开的技术采用的是中和加过滤的方法处理含铁酸性矿井水，中国专利cn114014462a公开的技术采用的是分步沉淀的方法处理酸性矿井水，中国专利cn113754113a公开的技术采用的是石灰石中和加微生物氧化还原的方法处理酸性矿井水，且需要持续加药，会产生二次污染，需再次消耗处理费用。现有的技术中都存在的缺点就是耗能、需要添加其他药剂(如石灰石等)、会产生二次污染。目前缺少不加药、低能耗甚至产能、不产生二次污染的酸性水处理技术，所以本发明提供了一种利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统(amd-fc)及方法。

2、一种利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统(amd-fc)，系统包括电池结构，电池结构由阳极室、阴极室、阳极电极、阴极电极、质子交换膜和外部导线组成；质子交换膜设置在阴极室和阳极室之间；阳极室上远离阴极室的一端设有阳极，阴极室上远离阳极室的一端设有阴极；阳极和阴极在阳极室和阴极室的外部通过导线连接；阳极室内盛有阳极电解液，阳极电解液含有硫酸亚铁；阴极室内含有阴极电解液；阳极室上设有阳极出水口和阳极进水口；进水口的进水中为去除溶解氧的酸性矿井水；阴极室设有阴极进水口和阴极出水口，阴极室上还设有氧气通气口。

3、进一步的，电池结构为双室空气燃料电池系统，单室空气阴极燃料电池、h型双室燃料电池、上流式燃料电池或圆筒型等燃料电池均。

4、进一步的，阳极室内包含阳极电解液，所述的阳极电解液为酸性矿井水：[mn2+]＝0～30mg/l、[fe2+]＝100～2000mg/l、[zn2+]＝0～80mg/l、[so42-]＝300～2000mg/l、[na+]＝3.22～6.9g/l、[hco3-]＝2.44～6.1g/l、[cl-]＝3.55～7.1g/l、ph：2～6；阴极室内含有阴极电解液：[na+]＝3.22～6.9g/l、[hco3-]＝2.44～6.1g/l、[cl-]＝3.55～7.1g/l、h2so4调ph。

5、进一步的，连续向阳极室中输入酸性矿井水，利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统可以连续稳定运行。

6、进一步的，所述的阳极室的进水口与进水槽连接，所述的进水槽中盛有酸性矿井水；所述的进水槽与气瓶连接，所述的气瓶用于容纳co2或n2，用于去除水中溶解氧，所述的阴极室进水口和阴极室出水口分别与阴极电解液供应装置连接。

7、进一步的，所述的阳极室出水口与出水槽连接，所述的出水槽将反应后的酸性矿井水过滤，作为下一次启动反应器的阴极电解液，在阴极室实现ph的升高，阳极注入新的酸性矿井水去除fe离子。

8、进一步的，阳极为碳布，阴极为载有pt的碳布。

9、进一步的，所述的阴极室可以采用空气阴极，即阴极电极载铂催化剂的一侧面向溶液，另一侧与空气接触，直接利用空气中的o2，也可采用供气系统向阴极电解液中鼓入o2。

10、进一步的，连接所述的阳极和阴极的导线上设有电阻，所述的电阻上并联有数字万用表；所述的数字万用表与计算机连接。

11、10.一种利用燃料电池处理酸性矿井水同步产电系统，其特征在于，采用上述的系统完成；包括如下步骤：

12、准备电解液，阳极电解液：酸性矿井水：[mn2+]＝24.6mg/l、[fe2+]＝492mg/l、[zn2+]＝35.8mg/l、[so42-]＝950mg/l、[na+]＝5.06g/l、[hco3-]＝4.27g/l、[cl-]＝5.325g/l、h2so4调ph为5；阴极电解液：[na+]＝5.06g/l、[hco3-]＝4.27g/l、[cl-]＝5.325g/l、h2so4调ph为5；

13、间歇反应：

14、酸性矿井水中连续鼓入co2去除水中溶解氧，用蠕动泵将酸性矿井水输送至阳极室，阴极电解液注入阴极室；

15、用数字万用表记录电压值，待电压降至0时，测定阳极溶液fe离子去除率，两极室ph值；

16、然后将上述反应后的酸性矿井水过滤，作为下一次启动反应器的阴极电解液，在阴极室实现ph的升高，阳极注入新的酸性矿井水去除fe离子；

17、或，

18、连续反应：

19、将酸性矿井水注入进水槽中，并不断鼓入co2去除水中溶解氧，用蠕动泵将酸性矿井水输入阳极室，流量设置为0.2ml/min，水力停留时间为6h，用数字电压表连续记录电压值，检测阳极出水ph和fe离子浓度。

20、本发明实施例具有如下有益效果：

21、本技术阳极室内含酸性矿井水，amd中二价铁被氧化为三价铁，释放电子，形成沉淀将铁从水中去除。阴极室内，质子与氧气反应生成水，消耗电子。质子通过质子交换膜从阳极室到达阴极室，阳极室内产生的大部分电子通过阳极经外电路传递到阴极参与反应，从而形成电流。本技术的方案绿色无二次污染；不但可以实现酸性矿井水资源化；阳极室产生的沉淀可以用作颜料，实现铁离子回收；还可以在处理含铁酸性矿井水同步发电。