[发明专利]一种用微生物燃料电池从含铜废水中回收单质铜的方法

说明书

本申请是申请号为201410017732.1，申请日为2014年1月15日，发明创造名称为“用微生物燃料电池从含铜废水中回收单质铜的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及含铜废水中铜的回收方法，具体涉及一种用微生物燃料电池从含铜废水中回收单质铜的方法。

背景技术

随着现代工业的高速发展，金属冶炼、电镀和印刷电路板等行业中产生大量的含铜废水。以一个中等规模的塑料电镀厂为例，通常每天排放废水约1500 t，其中含铜废水约840 t，若以含铜量50mg/L计算，每天排出的铜量达42 kg。含铜废水排入环境中将会对环境造成巨大的危害。

含铜废水的传统处理方法包括化学沉淀法、离子交换法等，这些方法很难实现铜的回收，还可能产生二次污染。电解法流程简单、操作方便、不需要添加其他化学药剂、不产生污泥等二次污染、高效快速，可直接回收金属铜，但电解法的主要缺点是难以处理稀浓度的重金属废水；而高浓度的含铜废液经电解后，铜含量仍可能超过排放标准。此外，电解法能耗高，处理高浓度废液时尚可产生较为可观的经济效益，但是电流效率随着含铜废液中铜浓度的降低而降低，受到经济效益因素制约，限制了电解法在低浓度废水处理中的推广应用。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是利用微生物作为反应主体，将有机物质的化学能直接转化为电能的一种装置；是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和生物产电的新技术。MFC分为阳极区和阴极区，这两个区由质子交换膜隔开。

在MFC的阳极区中，微生物以有机物为电子供体，以电极作为电子受体将有机物氧化，有机物被氧化的过程中产生电子和质子，电子在阳极上富集，通过外电路转移到阴极，质子通过质子交换膜进入阴极区。在阴极区，电子和电子受体以及剩余的质子会发生反应，伴随着阳极有机物分解的过程就是电子转移的过程。

若以Cu²⁺作为MFC的阴极电子受体，则可以利用MFC产生的电流代替电解法处理含铜废水技术中的传统电源。

关于微生物燃料电池处理含铜废水的技术，中国文献《剩余污泥为底物的微生物燃料电池处理含铜废水》（梁敏，陶虎春等，环境科学，Vol.32，No.1，Jan.，2011）采用双室MFC，经过预处理的质子交换膜置于容积均为1L的两室之间。在其M3反应器中，外接电阻为0Ω，阳极室加入浓缩污泥1000mL，启动期内以磷酸缓冲溶液作为阴极溶液，曝入空气，启动期结束后停止曝气，将阴极缓冲溶液更换为1000mL[Cu²⁺]=1000mg/L的硫酸铜溶液,进行Cu²⁺还原实验。反应开始192h后阴极溶液中Cu²⁺浓度降至68.8mg/L，去除率达到93.3%，最高去除率达到10.7 mg/h。192h后反应速率降低，平均去除率为0.5mg/h，288h实验结束的最终去除率为97.8%。实验结束后刮下阴极板上红褐色沉积物进行X射线衍射分析，M3阴极还原产物主要为单质铜，少量为氧化亚铜。

中国专利文献CN 101710625 B公开了一种燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属。燃料电池系统进行污水处理、产电及还原重金属包括以下步骤：将污水导入阳极室内；将缓冲溶液导入阴极室内，运行24小时至72小时后将重金属离子溶液导入所述阴极室内；通过阳极室内的微生物活性物对流经阳极室的污水进行处理；重金属离子溶液在阴极室内接受电子被还原，阳极室的质子通过质子交换膜迁移至阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，产生电能。实施例中的MFC都是直接以硫酸铜溶液为阴极溶液，以废水为阳极底物构建双室有膜MFC。在运行过程中，MFC阴极溶液里的Cu²⁺在浓度差的压力下会通过质子交换膜渗透到阳极室，延迟加入硫酸铜可以有效抑制Cu²⁺的渗透。实施例2中，MFC对0.1mol/L硫酸铜溶液中Cu²⁺的去除率较高，可达18.59%；XRD分析证明Cu（Ⅱ）在阴电极表面还原过程中会形成大量的Cu₄（OH）₆SO₄，还原产物包括Cu和Cu₂O，并分别沉积在电极和质子交换膜上（CN 101710625 B的说明书0057段）。