[发明专利]一种微生物燃料电池自驱动微生物电解池耦合系统从钴酸锂中回收单质钴的方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物电化学技术领域，具体地说是利用微生物燃料电池MFCs和微生物电解池MECs各自特点，结合钴酸锂颗粒的Co(III)浸出到液相Co(II)、由液相Co(II)还原为单质钴的化学势变化，实现由Co(III)浸出为Co(II)的MFCs驱动并耦合Co(II)还原为单质钴的MECs过程。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)与微生物电解池(Microbial Electrolysis Cells,MECs)均包括阳极室、阳极电极、阴极室、阴极电极、质子交换膜。不同的是，MFCs的阴极和阳极发生反应的吉布斯自由能小于零，反应能自发进行，系统输出电能；相反，MECs的阴极和阳极发生反应的吉布斯自由能大于零，反应不能自发进行，外界需要输入能量驱动反应进行。利用输出电能的MFCs驱动并耦合需要输入电能的MECs，可在原位直接利用MFCs电能的同时，在MFCs和MECs阴极合成有价值化学品，同时还可利用MFCs和MECs阳极去除有机污染物，过程清洁，是可持续性社会发展的必然要求。

钴是生产锂离子电池的重要稀有金属，在电池中含量达15–20%。随着锂离子电池的大量生产和广泛使用，其带来的环境问题也日益严重。同时，我国又是锂离子电池的最大生产、消费和出口国，占全球份额1/3以上，对钴的需求也最为迫切。清洁、高效地回收废旧锂离子电池中稀有金属钴，不仅有效解决电池污染，而且资源化利用废弃物，具有明显的环境效益、经济效益和社会效益。

钴在锂离子电池中以钴酸锂(LiCoO₂)存在，传统的回收方法主要包括物理法、化学法、生物法，主要是将LiCoO₂中Co(III)经酸浸出还原为液相Co(II)，以及随后的由液相Co(II)经深度处理(化学沉积、溶剂萃取、电沉积)回收钴，具有能耗和成本高、二次污染、副产物多、周期长、效能低、工艺繁琐等缺点。作为新兴技术，虽然MFCs能将LiCoO₂颗粒中Co(III)还原为溶解态Co(II)，但还需深度处理才能从液相回收钴；而且，MFCs的输出电能未得到有效收集和利用。虽然MECs能浸取LiCoO₂并得到单质钴，但系统需要输入大量能量；而且，阴极液需限定为较强的酸性环境。寻求更为清洁的、短程的材料化制备与钴酸锂资源化利用相结合技术，仍是人们关注的热点。

以pH2.0为例，LiCoO₂中Co(III)还原为Co(II)的理论氧化还原电位为1.845V，与有机物(以乙酸钠为例)彻底氧化为CO₂的氧化还原电势(–0.30V)可构建为MFCs；而Co(II)还原与pH无关，任意pH下Co(II)(以50mg/L计算)还原为单质钴的理论氧化还原电位仅为–0.373V，由于低于有机物(以乙酸钠为例)的氧化还原电势(–0.30V)，需构建MECs，通过输入能量驱动反应发生。因此，若以Co(III)浸取为Co(II)的MFCs自驱动并耦合Co(II)还原为单质钴的MECs，可在实现废旧锂离子电池中单质钴的清洁回收的同时，为原位利用MFCs的输出电能提供有效途径；同时也为无额外电能输入、无阴极液酸度限制的MECs的应用提供广阔空间。

发明内容

本发明提供了一种清洁的、无外界能量消耗的、从钴酸锂中回收单质钴的微生物燃料电池自驱动微生物电解池技术。

本发明利用MFCs自驱动MECs从钴酸锂中回收单质钴的方法，是在MFCs的阴极室加入盐酸等无机酸溶液，阴极电极为碳棒和碳毡等导电材料，钴酸锂加入量≤100g/L(w/v)，钴酸锂粒度8～9μm，钴酸锂颗粒附着在阴极电极表面。

在MECs的阴极室加入CoCl₂溶液，阴极电极为碳棒等导电材料。

在MFCs和MECs的阳极室中均装有电化学活性微生物以及阳极液，阳极电极为碳棒和碳毡等导电材料。

MFCs的阴极与MECs阳极通过串联电阻耦合相连，通过该电阻收集和计算电路中电流。

所述阳极室接种污水处理厂澄清池污泥作为电化学活性微生物。

所述澄清池污泥的pH:6.8–7.0；电导率:0.80–0.93mS/cm；悬浮性固形物:30–35g/L；化学需氧量(COD):150–300mg/L。