[发明专利]利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置与方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置与方法。

背景技术

镍是一种重要的有色金属材料，具有耐腐蚀性、在空气中不被氧化及耐强碱等优点。其用途较广泛，包含特殊钢、电子材料和航天材料等的合金、触媒、电镀、电池材料等。

在目前工业生产过程中，产生了大量的含镍废液，如果直接排放到环境中，将会对环境造成极大污染。同时镍又是价格昂贵的金属。因此，无论从生态角度，还是从资源再利用角度，回收废液中的镍都具有非常重要的现实意义。

目前镍回收的方法主要有化学沉淀法、电解法及离子交换法等。虽都可处理含镍废水，但都存在不足。如化学沉淀法会产生大量废渣，易造成二次污染；电解法能耗高；离子交换法投资费用大，设备复杂，操作繁琐。

如何对其进行回收利用，国内外都在进行积极的研究和探索。

对于Ni²⁺的回收，目前通常采用电解法，即利用直流电源电解回收镍。镍电解回收过程中，基本反应为：

阳极：

                    （1）

E_阳极 = 1.652 V vs NHE (T=298.5 K，pH =7，p(O₂) =2.13×10⁴ Pa)

阴极：

     （2）

E_阴极 = -0.300 V vs NHE (T=298.5 K，pH =7，[Ni²⁺] = 3.41×10^-2 mol/L 或2 g/L) 。

大多镀镍废水Ni²⁺浓度为0.2～3 g/L。

               （3）  

E_阴极 = -0.413 V vs NHE (T=298.5 K，pH =7，[H⁺] = 1×10^-7 mol/L)

总反应：

              （4）

E_电动势=-0.300-1.652=-1.952 V vs NHE。

理论上外加电压为1.952 V才能电解获得镍，由于电解过程中极化电势及内阻的存在，实际上外加电压要远大于理论电压值（1.952 V）才开始发生电解反应获得镍单质。

传统方法电解回收镍的缺点是电解过程能耗大，且产生的酸对设备腐蚀严重。因此，有必要研究镍回收的新工艺。

微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）是以微生物催化氧化有机物，在外加电压下将有机物中的化学能直接转化为氢能的装置。

MEC的基本工作原理如图1所示：在厌氧环境下，MEC阳极室中的微生物催化氧化有机物并产生电子和H⁺；产生的电子直接或间接传递至阳极电极，然后经外电路传递至阴极电极，同时质子经质子交换膜迁移至阴极；在外加电压作用下H⁺与电子结合在阴极生成氢气。

但是如果在阴极室存在氧化还原电势较高的Ni²⁺离子时，此时氧化还原电势较高的Ni²⁺离子优先在阴极被还原为单质镍，如图2所示。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置与方法，它使镍回收的成本大幅度降低，且能减少环境污染。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的装置，包括微生物电解池、数据采集系统及记录单元；所述微生物电解池为双室微生物电解池，包括阳极电极和阴极电极、及阳极电极和阴极电极之间的分隔膜，所述微生物电解池以导电惰性材料为阳极电极、惰性导电材料或铜材料或钛材料为阴极电极，所述分隔膜为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜，阳极电极和阴极电极间通过钛丝、恒电位仪及电阻连接；数据采集系统与电阻并联，记录单元和数据采集系统相连接。

本发明同时提供了一种利用微生物电解池从含镍废水中回收镍的方法，包括下列步骤：

1）制备微生物电解池：