CN217377584U - 基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置。该装置包括过滤器腔体、柔性铝空气电池、水泵、进水箱和出水箱，柔性铝空电池放置于过滤器腔体内，柔性铝空电池的上端与进水箱相连，下端与出水箱相连；柔性铝空电池由正反两面涂覆有碳正极涂层和铝负极涂层的亲水性滤膜基体组成，正负极涂层分别由集流器经导线与用电器相连，废水在水泵的驱动下通过导管从进水箱流进，经过过滤器腔体后，从出水箱流出。本实用新型装置和方法可以实现废水自净化过程中，铝固废资源，重金属离子的高质资源利用，达到以废治废，产生电能和纳米器件的目的。

Description

基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置

技术领域

本实用新型涉及金属空气电池和水处理技术领域，尤其涉及一种基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置。

背景技术

近年来，基于自供电的可持续净水技术和绿色的固废资源化技术成为环境领域的研究热点。近年来，随着电解铝、铝加工快速发展，产生大量难以处理的工业铝粉或铝灰，其中主要以金属铝、铝合金、氮化铝等材料，并于2021年被列为危险废物。因此，如何高效处理工业铝粉，降低固废环境危害，同时资源化利用上述物质，对铝行业的健康发展具有重要意义。

随着我国能源领域快速变革以及我国碳中和战略实施，开发低耗清洁的能源技术成为关键。此外，我国仍面临各种类型的重金属废水污染，主要来源于电镀行业，印刷电路板行业等，如何高效处理重金属废水，回收重金属，同时高质再利用重金属成为关键。以往的铝粉综合治理主要以集中熔炼，碱性处理制备絮凝剂等方法进行再生利用。重金属废水治理主要通过化学法沉淀，电沉积和离子交换等方法。铝固废和重金属处理技术相互孤立，同时各自还都需要大量化学药剂和电能消耗，维持处理效果，存在二次污染，不经济等缺点。

现有技术中的一种基于金属空气电池的水处理回收方法(申请号CN201911135030.2) 包括：构建基于金属空气电池的水处理方法，可以实现同步废水处理与发电。该方法的缺点为：没有实现铝粉固废和水处理的同步资源化，同时采用的流经式构型(水流向不穿过电极)具有一定的传质受限，不利于污染物高效去除和产电。同时该方法中的电极间距一般至少在cm级别甚至更高，通常金属-空气电池的产电效率又受到电池内阻的制约，降低产电功率和效率。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供了一种基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置，以实现同步工业铝粉资源化和水处理的自供电处理模式。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置，包括：过滤器腔体、柔性铝空气电池、水泵、进水箱和出水箱，所述柔性铝空电池放置于所述过滤器腔体内，所述柔性铝空电池的上端与进水箱相连，下端与出水箱相连；

所述柔性铝空电池包括从上至下依次设置的碳正极涂层、亲水性滤膜基体和铝负极涂层，所述亲水性滤膜基体为分隔材料，所述碳正极涂层为正极，所述铝负极涂层为负极，碳正极涂层和铝负极涂层分别通过集流器经过导线与用电器相连，废水在水泵的驱动下通过导管从进水箱流进，经过过滤器腔体后，通过导管从出水箱流出。

优选地，所述自供电重金属回收装置的整体结构为平板结构，铝负极涂层与碳正极涂层之间的间距与亲水性过滤膜与集流器的厚度相同。

优选地，所述铝负极涂层为羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖中的一种或多种组成的复合物，厚度为0.001mm-0.5mm，所述铝负极涂层将铝粉或铝灰粘合在过滤膜上。

优选地，所述碳正极涂层通过正极粘合剂将活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种组成的炭活性复合物粘合在过滤膜上，厚度为0.001mm-0.5mm。

优选地，所述亲水性滤膜基体为平板膜，过滤精度为0.01μm-1μm。

优选地，所述亲水性滤膜基体为醋酸纤维膜、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯中的一种或多种组成的复合物。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种适用于所述的基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置的水处理方法，包括：

废水从进水箱内经导管进入过滤器腔体后，先穿透过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层，然后经过亲水型滤膜基体后再依次穿透碳正极涂层，出水经过滤器腔体出口汇入出水箱；电絮凝产生的絮体截留在铝负极涂层表面，去除铝负极涂层表面上的胶体类物质和有机物；

基于柔性铝空电池中的铝涂层负极-滤膜基体-碳正极的一体式结构，当废水透过柔性铝空气电池时，铝空气电池的正负极自发产生电能，产生氢氧化铝絮凝剂，同时负极产生的电子迁移到正极，为重金属沉积提供所需的电场环境，产生的电流供给其他用电器。

优选地，所述的方法还包括：

铝负极涂层中的工业铝粉废弃物作为电子供体进行腐蚀放电，成为氢氧化铝絮凝剂，该氢氧化铝絮凝剂促进有机物和胶体物质的吸附，实现铝粉固体废物的资源利用；

废水中重金属组分在空气电池自发产生的电场作用下，在穿过过滤型柔性铝空气电池同时以零价金属或者金属氧化物形式电沉积在碳正极涂层上，实现对重金属回收以及同步负载。

优选地，所述的方法还包括：

在废水处理完成后，柔性铝空气电池的铝负极涂层消失殆尽，柔性铝空气电池转化为负载有重金属沉积产物的导电膜材料。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型涉及的装置和方法具有低内阻、高产电、完全自供电、无需外加电能的技术特点，可以实现废水自净化过程中，铝固废资源，重金属离子的高质资源利用，达到以废治废，产生电能和纳米器件的目的，这对可持续绿色水处理技术发展具有重要现实意义。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于过滤式柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置的结构示意图；

图2为图1中A-A方向剖视图。

附图标记说明：

①过滤器腔体、②铝负极涂层、③亲水性滤膜基体、④碳正极涂层、⑤集流体、⑥进水箱，⑦出水箱，⑧水泵。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

本实用新型的实施例提供的一种基于过滤型柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置包括过滤器腔体、柔性铝空气电池、集流体、水泵、进水箱和出水箱；柔性铝空电池从上至下依次由碳正极涂层、亲水性滤膜基体和铝负极涂层组成，碳正极涂层和铝负极涂层分别通过集流器经过导线与用电器相连。分隔上述自供电重金属回收装置的整体结构为平板结构，保证铝负极涂层与碳正极涂层之间的间距与亲水性过滤膜与集流器的厚度相同；所述的柔性铝空电池放置于过滤器腔体内，柔性铝空电池的上端与进水箱相连，下端与出水箱相连，废水在水泵的驱动下通过导管从进水箱流进，经过过滤器腔体后，通过导管从出水箱流出。

所述铝负极涂层为羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖中的一种或多种组成的复合物，厚度为0.001mm-0.5mm，铝负极涂层将铝粉或铝灰粘合在过滤膜上，亲水性滤膜基体主要为醋酸纤维膜、聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯等材质的平板膜，过滤精度为0.01μm-1μm；所述的碳正极涂层通过正极粘合剂将活性炭、炭黑、石墨烯和石墨粉中的一种或多种组成的炭活性复合物粘合在过滤膜上，厚度为0.001mm-0.5mm。

本实用新型的另一方面提供了一种应用上述自供电重金属回收装置的水处理方法，包括如下的处理过程：

净水：废水从进水箱内经导管进入过滤器腔体后，先穿透过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层，然后经过亲水型滤膜基体后再依次穿透碳正极涂层，出水经过滤器腔体出口汇入出水箱。同时电絮凝产生的絮体截留在铝负极涂层表面，高效去除铝负极涂层表面上的胶体类物质和有机物。

自供电：基于工业铝粉的铝涂层负极-滤膜基体-碳正极的一体式结构，当废水透过过滤型柔性铝空气电池时，铝空气电池的正负极自发产生电能，产生氢氧化铝絮凝剂，同时负极产生的电子会迁移到碳正极，为重金属沉积提供所需的电场环境，同时产生的电流还可以供给其他用电器，如LED灯等。

资源回收：铝负极涂层中的工业铝粉废弃物作为电子供体进行腐蚀放电成为氢氧化铝絮凝剂，促进有机物和胶体物质的吸附，实现了铝粉固体废物的资源利用。进一步地，废水中重金属组分在空气电池自发产生的电场作用下，在穿过过滤型柔性铝空气电池同时会以零价金属或者金属氧化物等形式电沉积在碳正极涂层上，实现了对重金属回收以及同步负载的目的。

资源再生：待废水处理进行完成，过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层会消失殆尽，最终过滤型柔性铝空气电池转化为负载有重金属沉积产物的导电膜材料，该导电膜材料可以作为新型的纳米涂层膜材料用于其他水处理，催化合成领域。

实施例一

该实施例提供的一种基于过滤式柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置的结构示意图如图1，2所示，包括；①过滤器腔体、②铝负极涂层、③亲水性滤膜基体、④碳正极涂层、⑤集流体、⑥进水箱、⑦出水箱和⑧水泵。铝负极涂层、钛集流体、亲水性滤膜基体和碳正极涂层组成柔性铝空气电池，从上到下依次为钛集流体、铝负极涂层、亲水性过滤膜、碳正极涂层和钛集流体；柔性铝空电池可维持铝负极涂层与碳正极涂层之间的间距仅为亲水性滤膜基体厚度。两层钛集流体上通过导线与用电器相连。⑧水泵置于进水箱中，重金属废水自⑥进水箱通过水泵进入①过滤器腔体入口，在压力作用下通过过滤型柔性铝空气电池，经过滤器腔体出口汇入⑦出水箱。

铝负极涂层主要由工业废弃铝粉、负极粘结剂组成，负极粘结剂为羧甲基纤维素，铝负极涂层厚度为0.1mm，负载量为6mg cm^-2；碳正极涂层主要由炭活性物质、正极粘结剂组成，炭活性物质为多壁碳纳米管，碳负极涂层的厚度为0.1mm,负载量为2mg cm^-2；亲水性过滤膜为聚偏氟乙烯材质的平板膜，过滤精度为0.02微米。

本实用新型的另一方面提供了一种应用于上述的装置的水处理方法，主要包括同步固体废物利用、重金属的高质资源回收和负载型催化膜材料的一体化制备。

净水：100mg/L浓度含铜废水从进水箱内经导管进入过滤器腔体后，先穿透过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层，然后经过亲水型滤膜基体后再依次穿透碳正极涂层，出水经过滤器腔体出口汇入出水箱。同时电絮凝产生的絮体截留在铝负极涂层表面，高效去除胶体类物质和有机物。处理出水在往复进入装置内多次过滤处理，经过1小时反应，铜离子去除率达90％。

自供电：基于过滤型柔性铝空气电池，以水处理滤膜微基体，利用基体柔性，高亲水性、基体超薄的特点，可以尽可能降低铝负极涂层和碳正极间距，减少系统内阻。基于工业铝粉的铝涂层负极-滤膜基体-碳正极涂层的一体式结构，当含铜废水透过过滤型柔性铝空气电池时，铝空气电池的正负极自发产生电能，产生氢氧化铝絮凝剂，负极产生的电子会迁移到碳正极涂层，为铜离子等重金属沉积提供所需的电场环境，同时产生的电流还可以供给其他用电器，在80cm2电极面积上同时产生的电流约70mA，1V左右电压供给二极管或LED灯等。

资源回收：铝负极涂层中的工业铝粉废弃物作为电子供体进行腐蚀放电成为氢氧化铝絮凝剂，促进有机物和胶体物质的吸附，实现了铝粉固体废物的资源利用。进一步地，废水中铜离子组分在空气电池自发产生的电场作用下，在穿过过滤型柔性铝空气电池同时会以零价铜电沉积在碳正极涂层上，实现了对铜离子回收以及同步负载的目的。

资源再生：待废水处理进行完成，过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层会消失殆尽，最终过滤型柔性铝空气电池的转化为负载铜沉积产物的导电膜材料，该材料可以作为新型的纳米铜涂层膜材料用于其他水处理，催化合成领域。

实施例二：

该实施例提供的一种基于过滤式柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置包括：①过滤器腔体、②铝负极涂层、③亲水性滤膜基体、④碳正极涂层、⑤集流体、⑥进水箱、⑦出水箱和⑧水泵；铝负极涂层、钛集流体、亲水性滤膜基体和碳正极涂层组成柔性铝空气电池，从上到下依次为钛集流体、铝负极涂层、亲水滤膜、碳正极涂层和钛集流体；柔性铝空电池可维持铝负极涂层与碳正极涂层之间的间距仅为亲水性滤膜基体厚度两层钛集流体上通过导线与用电器相连。所述的⑧水泵置于进水箱中，重金属废水自⑥进水箱通过水泵进入①过滤器腔体入口，在压力作用下通过过滤型柔性铝空气电池，经过滤器腔体出口汇入⑦出水箱。

铝负极涂层主要由工业废弃铝粉、负极粘结剂组成，负极粘结剂为聚四氟乙烯，铝负极涂层厚度为0.2mm，负载量为10mg cm^-2；碳正极涂层主要由炭活性物质、正极粘结剂组成，炭活性物质为石墨烯，碳负极涂层的厚度为0.05mm,负载量为1mg cm^-2；亲水性过滤膜为醋酸纤维膜材质的平板膜，过滤精度为0.016微米。

本实用新型的另一方面提供了一种应用于上述的装置的水处理方法，主要包括同步固体废物利用、重金属的高质资源回收和负载型催化膜材料的一体化制备。

净水：50mg/L含二价锰离子的废水从进水箱内经导管进入过滤器腔体后，先穿透过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层，然后经过亲水型滤膜基体后再依次穿透碳正极涂层，出水经过滤器腔体出口汇入出水箱。同时电絮凝产生的絮体截留在铝负极涂层表面，高效去除胶体类物质和有机物。处理出水在往复进入装置内多次过滤处理，经过1小时反应，锰离子去除率达98％。

自供电：基于工业铝粉的铝涂层负极-滤膜基体-碳正极涂层的一体式结构，当含锰废水透过过滤型柔性铝空气电池时，铝空气电池的正负极自发产生电能，产生氢氧化铝絮凝剂，同负极产生的电子会迁移到碳正极涂层，为铜离子沉积提供所需的电场环境，同时产生的电流还可以供给其他用电器，如LED灯等。

资源回收：铝负极涂层中的工业铝粉废弃物作为电子供体进行腐蚀放电成为氢氧化铝絮凝剂，促进有机物和胶体物质的吸附，实现了铝粉固体废物的资源利用。进一步地，废水中锰离子组分在空气电池自发产生的电场作用下，在穿过过滤型柔性铝空气电池同时会以二氧化锰电沉积在碳正极涂层上，实现了对铜离子回收以及同步负载的目的。

资源再生：待废水处理进行完成，过滤型柔性铝空气电池的铝负极涂层会消失殆尽，最终过滤型柔性铝空气电池的转化为负载铜沉积产物的导电膜材料，该材料可以作为新型的二氧化锰纳米涂层膜材料用于其他水处理，催化合成领域。

综上所述，本实用新型实施例基于铝空气电池，提出同步工业铝粉资源化和水处理的自供电处理模式，通过构建电化学过滤型柔性铝空气电池，利用流通式构型，让废水穿透金属空气电池，实现高效传质同时达到高效产电。本实用新型创新性地利用工业铝粉废物作为负极涂层，用铝粉氧化过程中产生的电子驱动空气电池，同时产生电能，实现铝粉到电能的转化和自主供电。

本实用新型产电过程中铝产物变成氢氧化铝可以进一步作为絮凝剂去除污染物，同时产生的电能能够用于碳正极还原废水中的重金属，形成负载有零价金属或金属氧化物的炭涂层膜材料(重金属的回收产物)。该回收产物可以作为再次作为其他领域，如燃料电池正极，催化电极以及其他催化领域的材料，同步实现了重金属回收和重金属负载的纳米器件制备，本实用新型为同步铝粉固体废物资源化+水处理+重金属回收以及同步产电提供了新思路。本实用新型实施例的催化滤膜可以作为新型纳米涂层催化材料用以电化学催化以及其他领域。本实用新型同步实现了铝危废处理，重金属水处理，重金属涂层纳米器件制备以及产生电能的协同目的，对绿色水处理技术发展具有重要现实意义。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于柔性铝空气电池的自供电重金属回收装置，其特征在于，包括：过滤器腔体、柔性铝空气电池、水泵、进水箱和出水箱，所述柔性铝空电池放置于所述过滤器腔体内，所述柔性铝空电池的上端与进水箱相连，下端与出水箱相连；

所述柔性铝空电池包括从上至下依次设置的碳正极涂层、亲水性滤膜基体和铝负极涂层，所述亲水性滤膜基体为分隔材料，所述碳正极涂层为正极，所述铝负极涂层为负极，碳正极涂层和铝负极涂层分别通过集流器经过导线与用电器相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自供电重金属回收装置的整体结构为平板结构，铝负极涂层与碳正极涂层之间的间距与亲水性过滤膜与集流器的厚度相同。

3.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述铝负极涂层的厚度为0.001mm-0.5mm，所述铝负极涂层将铝粉或铝灰粘合在过滤膜上。

4.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述碳正极涂层厚度为0.001mm-0.5mm。

5.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述亲水性滤膜基体为平板膜。

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