[发明专利]一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法

说明书

本发明公开了一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法。该装置包括电化学系统；所述电化学系统包括至少一个原电池单元；每个原电池单元包括：活泼金属阳极，所述活泼金属阳极的材质为标准电极电位为负值的金属；多孔催化阴极，所述多孔催化阴极包括多孔导电基体构成；多孔介电隔离层，其将所述活泼金属阳极和所述多孔催化阴极分隔开来。本发明装置和方法操作方便，对原料和设备要求低，可对高价重金属(如铬、钒等)污染的水进行处理，效果好，重金属离子去除率达到90％以上，产电功率密度达810W/m³，为工业化和规模化实现同步产电和去除水中高价重金属离子提供了一种新方法。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法。

背景技术

随着工业化进程的不断发展，工业废水排放越来越引起人们的关注。人们在探索应对工业污染的过程中，已不单纯局限于污染物的去除和降解，而是要求实现废水净化的同时实现能源或资源的回收。废水中的化学物质是一个潜在的能量与物质来源。其中，废水中的氧化还原物种占相当大的比例，尤其是高价金属化合物。此外，高氧化态金属化合物往往表现出较高的迁移性和危害性，如高价放射性金属，如U(VI)，Tc(VII)，Np(V)和Pu(VI)，以及致癌性的重金属Cr(VI)和V(V)等。因此，将其还原为低氧化态，可以最大限度地降低其环境危害性。常规技术主要有化学还原，生物还原和电化学还原等。以上方法虽然较为有效地缓解其毒性和迁移性的问题，但也造成了大量药剂和能源投入，如果能将废水中的蕴含的能量加以回收，将能节约大量的水处理成本，并能取得一定的社会经济效益。

从氧化还原电位分析可知，高价金属离子具有较高的氧化还原电位。电化学技术可被用于处理及回收重金属，同时也有可能将废水中的能量收集并将其转化成电能。在实际的水处理过程中，电解槽电解技术可将水中重金属离子还原或氧化，但该过程消耗电能，增加了废水处理成本；原电池微电解技术处理效率较高，但无法收集废水中的能量。如果利用原电池原理，构建合适的电化学能量回收装置，以废水中高价金属离子作为电子受体，同时选择氧化还原电位较低的物质作为电子供体，可将高价金属离子自身蕴含的能量转化出来，同时降低金属离子的毒性。

申请号为201110386545.7的中国专利公开了一种自产电能同时去除金属离子的装置及其方法，该装置分为阳极室和阴极室，中间为离子或质子交换膜，阳极室为还原性物质的水溶液，阴极室为高价金属离子，但离子或质子交换膜价格较高，且在废水中容易老化，不适用于大范围推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置及方法，操作方便，对原料和设备要求低，可对高价重金属污染的废水进行处理，成本低、效果好，便于实际应用。

本发明提供的一种同步产电和转化高价金属离子的水处理装置；它包括电化学系统；所述电化学系统包括至少一个原电池单元；每个原电池单元包括：

活泼金属阳极，所述活泼金属阳极的材质为标准电极电位为负值的金属；

多孔催化阴极，所述多孔催化阴极包括多孔导电基体；

多孔介电隔离层，其将所述活泼金属阳极和所述多孔催化阴极分隔开来。

上述的水处理装置中，所述活泼金属阳极的材质可为廉价的铝、铁或锌。

上述的水处理装置中，所述多孔催化阴极的孔隙率可为30％～90％(如60％)。所述多孔催化阴极的厚度可为1～10mm(如5mm)。

所述多孔导电基体可为石墨毡(石墨纤维毡)、碳布、碳纸、泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛。

所述多孔催化阴极还可包括负载在所述多孔导电基体上的催化剂。所述催化剂可为聚苯胺、聚吡咯、钯、金或铂。所述催化剂的负载量可为0～50mg/cm²，如10mg/cm²。