CN102646843B - 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法 - Google Patents

化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102646843B
CN102646843B CN201210132111.9A CN201210132111A CN102646843B CN 102646843 B CN102646843 B CN 102646843B CN 201210132111 A CN201210132111 A CN 201210132111A CN 102646843 B CN102646843 B CN 102646843B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
iii
cathode
cobastab
leaching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210132111.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102646843A (zh
Inventor
黄丽萍
刘雅旋
全燮
陈丽杰
陈国华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201210132111.9A priority Critical patent/CN102646843B/zh
Publication of CN102646843A publication Critical patent/CN102646843A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102646843B publication Critical patent/CN102646843B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

一种化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法,在微生物燃料电池的阳极室,装有电化学活性微生物以及阳极液;在微生物燃料电池的阴极室,装有阴极液和钴酸锂颗粒;阳极室接种污水处理厂的澄清池污泥作为电化学活性微生物;阴极液为无机酸溶液;阴极和阳极电极均为石墨材料。本发明过程清洁高效、副产电能、方法简单、成本低,对于处理废旧锂离子电池并浸出其中的钴金属具有很好的应用前景。

Description

化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池,具体地说是一种化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是以微生物为催化剂,将环境中污染物转化为电能的技术。这种兼具环境污染治理与废物能源化利用的革新技术已被应用于多种污染物如各种工业废水和生活废水、垃圾渗滤液、氯代有机物等的降解研究,显示出较好的应用前景。
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。另一方面,我国是锂离子电池最大消费、生产和出口国,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极有价值的钴金属,不仅有效解决电池污染,而且资源化利用废弃物,具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。
钴在锂离子电池中以钴酸锂(LiCoO2)存在,传统浸出Co(III)方法包括物理法和化学法,具有能耗高、成本高、副产物多、效能低等缺点,且回收过程中产生的废水、废渣难以处理。生物淋滤是近年兴起的新工艺,具有成本低、操作方便、耗酸量少等优点,但存在效能低、周期长、耐酸微生物种类少等缺点。特别是,生物淋滤法的浸出液分离困难,过程中还需要外加大量还原性物质如硫磺和亚铁离子。
目前,越来越多的研究关注Co(III)的浸出,但缺乏简便、高效、清洁的短流程技术浸出钴酸锂中Co(III)。
发明内容
本发明提供了一种清洁、高效的浸出钴酸锂中Co(III)的化学阴极微生物燃料电池。
本发明采用的技术方案如下:
一种化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法。
在微生物燃料电池的阳极室,装有电化学活性微生物以及阳极液,在微生物燃料电池的阴极室,装有阴极液和钴酸锂颗粒。
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。
阳极液成分为:12.0mM乙酸钠;5.8mM NH4Cl;1.7mM KCl;17.8mMNaH2PO4·H2O;32.3mM Na2HPO4;矿质元素:12.5mL/L(组成为MgSO4:3.0g/L;MnSO4·H2O:0.5g/L;NaCl:1.0g/L;FeSO4·7H2O:0.1g/L;CaCl2·2H2O:0.1g/L;CoCl2·6H2O:0.1g/L;ZnCl2:0.13g/L;CuSO4·5H2O:0.01g/L;KAl(SO4)2·12H2O:0.01g/L;H3BO3:0.01g/L;Na2MoO4:0.025g/L;NiCl2·6H2O:0.024g/L;Na2WO4·2H2O:0.024g/L);维生素:12.5mL/L(组成为维生素B1:5.0g/L;维生素B2:5.0g/L;维生素B3:5.0g/L;维生素B5:5.0g/L;维生素B6:10.0g/L;维生素B11:2.0g/L;维生素H:2.0g/L;对氨基苯甲酸:5.0g/L;硫辛酸:5.0g/L;氨基三乙酸:1.5g/L)。
阴极液为无机酸溶液,阴极和阳极电极均为石墨材料,钴酸锂颗粒附着在阴极石墨材料表面。
本发明的微生物燃料电池的阳极室和阴极室在启动和运行过程中需保持无氧环境,可通过通入氮气以保证厌氧环境。
本发明的微生物燃料电池运行阶段流程为:阳极液中的有机物在阳极室内被微生物氧化,过程产生的质子穿过质子透过膜进入阴极室,产生的电子经外电路导入阴电极。在阴电极表面,钴酸锂颗粒中的Co(III)获得阴电极提供的电子,被还原为Co(II),从固相浸入到液相。
本发明的方法实现钴酸锂中Co(III)的高效浸出,达到较好的环境污染处理和资源化效果,而且过程清洁无污染:无电能消耗,且副产一定量电能。
附图说明
图1是本发明的微生物燃料电池的结构示意图。其中包括1数据采集系统;2外阻;3外电路导线;4参比电极;5阳极室;6阴极室;7阳极电极;8阴极电极;9取样口;10搅拌子;11质子透过膜。
图2是实施例1的微生物燃料电池阴极浸出钴酸锂中Co(III)的时间变化图。
图3是实施例1的微生物燃料电池阴极液pH的时间变化图。
图4是实施例1的微生物燃料电池的输出电压随时间变化图。
图5是实施例1的微生物燃料电池的阴极库仑效率随时间变化图。
具体实施方式
以下是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。
实施例1:
步骤一:构建微生物燃料电池,如图1所示:阳极室5和阴极室6均为有机玻璃材质,总容积分别为125mL,以质子透过膜(CMI-7000)11隔开。
步骤二:分别将阳极电极7和阴极电极8置于阳极室5和阴极室6中,阳极电极7和阴极电极8的电极材料均为石墨毡(北京三业碳材料公司)(表观尺寸:3cm×2cm×1cm),在外电路导线3中接入1000欧外阻2和参比电极4,通过数据采集系统1收集产电数据和电极电势。
步骤三:将20mg钴酸锂粉末(粒度8~9μm)、阴极电极置于100mL去离子水中,100rpm磁力搅拌20min,钴酸锂颗粒完全吸附在碳毡上,从而制得以钴酸锂中Co(III)为电子受体的MFCs化学阴极电极。
步骤四:在阳极室加入100mL培养液,其组成为12.0mM乙酸钠;5.8mMNH4Cl;1.7mM KCl;17.8mM NaH2PO4·H2O;32.3mM Na2HPO4;矿质元素:12.5mL/L(MgSO4:3.0g/L;MnSO4·H2O:0.5g/L;NaCl:1.0g/L;FeSO4·7H2O:0.1g/L;CaCl2·2H2O:0.1g/L;CoCl2·6H2O:0.1g/L;ZnCl2:0.13g/L;CuSO4·5H2O:0.01g/L;KAl(SO4)2·12H2O:0.01g/L;H3BO3:0.01g/L;Na2MoO4:0.025g/L;NiCl2·6H2O:0.024g/L;Na2WO4·2H2O:0.024g/L);维生素:12.5mL/L(维生素B1:5.0g/L;维生素B2:5.0g/L;维生素B3:5.0g/L;维生素B5:5.0g/L;维生素B6:10.0g/L;维生素B11:2.0g/L;维生素H:2.0g/L;对氨基苯甲酸:5.0g/L;硫辛酸:5.0g/L;氨基三乙酸:1.5g/L)。阳极室接种污水处理厂澄清池污泥10g(大连凌水河污水处理厂)。阴极室加入100mL含50mM铁氰化钾缓冲溶液驯化阳极。阳极液曝氮气20min后密封。将装置置于15℃环境避光运行。当电压下降至20mV以下时,即完成一个周期,并补加上述培养基成分。待连续三个周期输出电压稳定在相似值时,表明阳极电化学活性菌驯化和启动成功。
步骤五:将步骤四的铁氰化钾溶液替换为100mL的0.01M HCl溶液,曝氮气20min,将步骤三的阴极电极组装并密封。同时,将步骤四的阳极液进行更新。
步骤六:定期从取样口9取样,分析液相中Co(II)含量。
步骤七:设置对照,即:MFCs反应器、阴极和阳极液组成、以及反应器启动与前述过程完全相同,待系统启动完成后,保持MFCs开路运行。该条件下的Co(III)浸出归因于传统化学法的酸浸出与还原过程。
本实施事例的MFCs的浸出钴酸锂中Co(III)发生的反应如式(1)所示,钴浸出率的时间变化过程如图2所示;系统pH的时间变化如图3所示;系统输出电压、阴极与阳极电势的时间变化过程如图4所示;阴极库仑效率η随时间变化如图5所示。钴浸出率和η的计算方法如式(2)和(3)所示。
LiCoO2(s)+4H++e-→Co2++Li++2H2O    (1)
Figure BDA0000159014490000051
η = C Co ( II ) × 0.1 × 0.001 × 96485 / 59 Σ i = 1 n U i R × t × 60 - - - ( 3 )
Figure BDA0000159014490000053
阴极液中Co(II)浓度(mg/L);200:初始钴酸锂浓度(mg/L);59:钴的摩尔质量(g/mol);98:钴酸锂的摩尔质量(g/mol);0.1:阴极液体积(L);0.001:量纲换算(g/mg);96485:每摩尔库仑量(C/mol);i:第i个时间间隔;Ui:第i个时间间隔下的系统输出电压(V);R:系统外阻,1000Ω;t:间隔时间,30min;60:量纲换算(s/min)。
结果:随着反应时间的延长,MFCs与对照组中Co(II)浓度均呈升高趋势(图2)。相对而言,MFCs条件下的钴浸出率明显高于对照组,在时间为60h时,前者浸出率已达35.5±0.6%,对照组仅为15.1±0.5%,提高135%,表明MFCs阴极电极的供电子加快和促进了Co(III)的浸出和还原。相应地,MFCs与对照组的pH均呈升高趋势(图3)。初始pH均为2.0时,60h时的MFCs系统pH增加到3.09±0.05;对照组pH升高为2.61±0.07。MFCs较快的pH增加归因于较多的Co(III)溶出,需要消耗较多的H+。在Co(III)浸出过程中,MFCs电池电压由初始时的0.157V缓慢降低为60h时的0.078V,相应地,阳极电势维持在-0.21V左右,阴极电势呈缓慢的下降趋势,表明阴极性能与Co(III)的浸出呈负相关(图4)。60h内的阴极库仑效率维持在31.4±1.3%-37.7±3.2%范围内(图5)。实际上,阴极系统中除Co(III)电子受体外,阴极液曝气后仍残留的溶解氧(2.4-3.0mg/L)等电子受体可能也是阴极导入电子的消耗者,是导致阴极库仑效率不能达到100%的主要原因。

Claims (9)

1.一种化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法,其特征在于,在微生物燃料电池的阳极室,装有电化学活性微生物以及阳极液;在微生物燃料电池的阴极室,装有阴极液和钴酸锂颗粒;阳极室接种污水处理厂的澄清池污泥作为电化学活性微生物;阴极液为无机酸溶液;阴极和阳极电极均为石墨材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的澄清池污泥的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。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述的阳极液成分为:12.0mM乙酸钠;5.8mM NH4Cl;1.7mM KCl;17.8mM NaH2PO4·H2O;32.3mM Na2HPO4;矿质元素:12.5mL/L,其组成为MgSO4:3.0g/L;MnSO4·H2O:0.5g/L;NaCl:1.0g/L;FeSO4·7H2O:0.1g/L;CaCl2·2H2O:0.1g/L;CoCl2·6H2O:0.1g/L;ZnCl2:0.13g/L;CuSO4·5H2O:0.01g/L;KAl(SO4)2·12H2O:0.01g/L;H3BO3:0.01g/L;Na2MoO4:0.025g/L;NiCl2·6H2O:0.024g/L;Na2WO4·2H2O:0.024g/L;维生素:12.5mL/L,其组成为维生素B1:5.0g/L;维生素B2:5.0g/L;维生素B3:5.0g/L;维生素B5:5.0g/L;维生素B6:10.0g/L;维生素B11:2.0g/L;维生素H:2.0g/L;对氨基苯甲酸:5.0g/L;硫辛酸:5.0g/L;氨基三乙酸:1.5g/L。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述的无机酸溶液为盐酸溶液。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述的无机酸溶液为盐酸溶液。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述的石墨材料为碳毡。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述的石墨材料为碳毡。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,钴酸锂颗粒为8~9μm。
9.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,钴酸锂颗粒为8~9μm。
CN201210132111.9A 2012-04-28 2012-04-28 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法 Expired - Fee Related CN102646843B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210132111.9A CN102646843B (zh) 2012-04-28 2012-04-28 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210132111.9A CN102646843B (zh) 2012-04-28 2012-04-28 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102646843A CN102646843A (zh) 2012-08-22
CN102646843B true CN102646843B (zh) 2014-06-11

Family

ID=46659521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210132111.9A Expired - Fee Related CN102646843B (zh) 2012-04-28 2012-04-28 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102646843B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103094592B (zh) * 2013-01-21 2015-02-04 江苏大学 一种等离子碱性燃料电池
CN103208666B (zh) * 2013-03-07 2015-10-14 大连理工大学 一种提高微生物燃料电池浸取钴酸锂中Co(III)的方法
CN103199286B (zh) * 2013-04-02 2015-04-22 江苏大学 一种输出电压可调的等离子碱性燃料电池及调节方法
CN103266331B (zh) * 2013-04-24 2016-04-13 大连理工大学 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
CN103343230B (zh) * 2013-07-05 2014-11-05 南昌航空大学 废弃锂离子电池中有价金属浸出工艺及其装置
CN104852072B (zh) * 2015-05-15 2017-10-24 南通科技职业学院 一种球形防漏双室微生物燃料电池构型
CN106380027B (zh) * 2016-10-26 2019-07-26 四川师范大学 一种污水的深度处理方法
CN110265676B (zh) * 2019-05-08 2021-07-02 江苏理工学院 一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101020963A (zh) * 2007-03-29 2007-08-22 北京理工大学 一种利用生物淋滤技术直接溶出废旧电池中金属离子的方法
CN101447584B (zh) * 2008-12-29 2010-11-10 重庆大学 一种可利用自然光照再生阴极受体的微生物燃料电池
JP5422495B2 (ja) * 2010-02-23 2014-02-19 株式会社日立製作所 金属回収方法及び透析装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102646843A (zh) 2012-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102646843B (zh) 化学阴极微生物燃料电池浸出钴酸锂中Co(III)的方法
CN103266331B (zh) 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
CN101710625B (zh) 燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法
CN103966626B (zh) 一种提高微生物燃料电池驱动微生物电解池回收多金属的方法
KR100848331B1 (ko) 생물전기화학 시스템을 이용한 탈질 방법
Huang et al. Cobalt recovery from the stripping solution of spent lithium-ion battery by a three-dimensional microbial fuel cell
CN108448144B (zh) 一种微生物燃料电池
Liu et al. Copper catalysis for enhancement of cobalt leaching and acid utilization efficiency in microbial fuel cells
CN107954523A (zh) 一种生物电化学系统和废水处理的方法
Ho et al. Bio-electrochemical reactors using AMI-7001S and CMI-7000S membranes as separators for silver recovery and power generation
Freitas et al. Electrochemical recycling of the zinc from spent Zn–MnO2 batteries
CN103820811A (zh) 用微生物燃料电池从含铜废水中回收单质铜的方法
Modin et al. Opportunities for microbial electrochemistry in municipal wastewater treatment–an overview
CN102249424A (zh) 无质子交换膜微生物燃料电池污水处理系统及其应用方法
CN104480493B (zh) 一种紧凑型生物电化学反应器回收铜、镉并制备镉青铜前体的方法
CN102650063B (zh) 利用微生物电解池从钴酸锂中“一步式”回收单质钴的方法
Liu et al. Bioelectrochemical systems for enhanced nitrogen removal with minimal greenhouse gas emission from carbon-deficient wastewater: A review
CN108796531B (zh) 一种清洁的彻底处理钨钼有机混合废水同步回收金属且副产氢气的方法
Dinh et al. Bioelectrical methane production with an ammonium oxidative reaction under the no organic substance condition
Wu et al. Progress in heavy metals-containing wastewater treatment via microbial electrolysis cell: a review
CN103208666B (zh) 一种提高微生物燃料电池浸取钴酸锂中Co(III)的方法
CN111606526A (zh) 一种双室微生物燃料电池处理页岩气开发油基泥浆的新方法
CN103715433A (zh) 一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用
Chen et al. Research on treatment of wastewater containing heavy metal by microbial fuel cell
CN105621593B (zh) 一种清洁有效的从钨钼酸盐混合溶液中分离钨钼的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140611

Termination date: 20170428

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee