论文部分内容阅读
废旧锂离子电池中含有丰富的铜钴资源,但是现在对废锂离子电池的回收并不完全,仍旧有部分的废锂离子电池得不到有效的回收,对环境造成污染的同时浪费了大量的金属资源,如果能有效回收这部分金属资源,将会带来巨大的环境和经济效益。MFC-MEC生物电化学耦合系统是一种生物电化学系统（Bioelectrochemical systems,BES）,是一种能利用微生物充当催化剂将化学能转化为电能的生物系统,能高效处理多种废水,具有清洁,无污染,能耗低和成本低廉的特点。本研究利用生物电化学耦合系统回收废锂离子电池中的铜钴,主要研究如下:1、实验搭建MFC装置,以Cu（Ⅱ）为阴极电子受体,考察阳极底物类型,装置有效容积,极距,阳极电极材料,阳极pH,阴极pH和外接电阻对MFC产电性能和阴极铜回收的影响,选择最优的实验条件。结果表明:以乙酸钠为阳极底物,阳极液pH调节为4,以石墨板为阳极电极材料,有效容积调节为500 mL,减小极距,降低阴极液pH为2.5,减小外接电阻到200Ω时,电池性能最优,MFC功率密度最高可达20702.5 mW/m2,阴极Cu（Ⅱ）去除率最高为99.78%,阴极效率可达到79.04%,铜单质比收率最高为3.12 gCu/gCOD。反应结束后在电池阴极上能明显看到有黄褐色颗粒,经过XRD检测为单质铜。2、以钴酸锂为MFC阴极电子受体进行实验,研究搅拌,碳毡面积,阴极液pH值,阴极液类型,浓度,钛丝和碳毡吸附钴酸锂量对MFC产电和阴极Co（Ⅱ）浸出的影响。结果表明:无需对MFC阴极加入搅拌装置,碳毡面积为5×5 cm,降低阴极液pH值,以1 g/L的CuSO4为电池阴极液,适当缠绕钛丝,阴极碳毡上钴酸锂量以0.15 g时MFC具有较好的电池性能和Co（Ⅱ）浸出效果,MFC阳极库伦效率最高为76.3%,最大电压达1.05 V,最大功率密度2376.2 mW/m2,Co（Ⅱ）浸出率最高为44.84%,经过检测阴极液中Co（Ⅱ）浓度最高为54 mg/L。3、构建MFC-MEC耦合装置,研究MEC阴极电极材料,阴极液pH值,阴极液浓度,阳极接种污泥和有机底物的体积比,反应器有效容积和电极间距对MFC-MEC耦合系统回收铜钴的影响。结果表明:MEC中碳纸为阴极电极材料,阴极氯化钴溶液浓度为5 g/L,溶液pH调节为3,阳极接种污泥和有机底物的体积比为1:3,反应器有效容积减小为100 mL,电他极间距增加时耦合系统性能较好,对于铜钴具有较好的回收效果,Cu（Ⅱ）和Co（Ⅱ）最高的去除率分别为99.63%和97.38%。同时还研究了系统的连接方式和堆栈式耦合系统对实验的影响,结果得到将电阻串联接入电路时,耦合系统中MFC和MEC的阴极效率都较高,分别为32.67%和11.03%。堆栈实验中,当两个MFC中阴极电子受体不同,分别为Cu（Ⅱ）和LiCoO2时耦合系统中MFC对铜离子的去除率达到99.92%,对Co（Ⅱ）的浸出率为72.28%,溶液中Co（Ⅱ）的浓度为261.1 mg/L,MEC对Co（Ⅱ）的去除率达到了92.09%,钴单质比收率为1.004 gCo/gCOD。4、搭建MFC-MEC耦合系统,将前期实验所确定的最佳参数条件应用到回收废锂离子电池中铜钴的研究中。结果显示:MFC有效容积较小为300 mL时电池性能较好,MFC有效容积为500 mL时对于阴极铜回收和Co（Ⅱ）浸出效果较好,Co（Ⅱ）浸出率为32.42%,Co（Ⅱ）浓度为58.56 mg/L,铜单质比收率是1.223 gCu/COD,阴极产物中含有CoSO4,Co（OH）2和Cu单质,说明MFC阴极发生了Co（Ⅲ）降价和Cu（Ⅱ）的还原反应。对于MEC的影响,MFC产电性能对其的影响较大,当MFC电性能较好时MEC阴极对Co（Ⅱ）处理效果较好,阴极效率为56.12%,Co（Ⅱ）去除率为54.52%,钴单质比收率为0.861 gCo/gCOD,碳纸电极表面具有黑色粉末,电镜下为圆形松散颗粒,经XRD检测到产物中含有Co单质。堆栈式MFC-MEC耦合系统中MFC1和MFC2电性能均较为稳定。而MEC中钴离子去除率和单质比收率都高于一个MFC驱动的MEC,Co（Ⅱ）去除率和单质比收率为54.52%和0.861 gCo/gCOD。对于MEC阴极的反应,较高的电能供给有利于MEC阴极还原反应的发生。