一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，一方面通过碳粉改性阳极增大其表面活性，并大大加快电极表面生化反应过程，另一方面阴极室采用氯化钠溶液不产生二次污染，两者结合使电子传递效率和MFC系统电能提高，所构建的MFC开路电压大于0.724V，功率密度大于6822.76mW/m

A method of leaching lithium cobalt from lithium cobalt by microbial fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法
本专利技术涉及废旧锂电池回收
，具体涉及一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂中的三价钴并将其还原为二价钴的方法。
技术介绍
钴酸锂广泛应用于锂离子电池的正极材料中，锂离子电池具有能量密度高、寿命长、体积小、重量轻、应用范围广等特点，广泛应用于电子产品、汽车、航空航天等领域。受电子产品更新换代周期和锂离子电池使用寿命等方面的影响，近年来产生了大量的废锂电池。废锂电池中含有大量的重金属和有毒电解液，无害化处理废锂电池并回收有价金属具有重要意义。目前，针对废锂电池正极材料中钴酸锂浸出的问题国内外科研人员展开了大量的研究和探讨。专利(200910059707.9)将钴酸锂废电池正极材料放于耐腐蚀的密闭容器中，倒入硫酸和硝酸，在通入工业纯氧的情况下浸出废电池正极材料，该方法需要控制浸出温度、浸出压力、控制硫酸初始浓度和硝酸初始浓度、浸出时间和搅拌速度这一系列参数，对浸出要求比较高，对于工业试剂及工业纯氧的消耗比较大。专利(CN200910304134.1)先将废旧锂离子电池拆分得到的正极活性材料用硫酸-双氧水混合溶液多段逆流浸出，剩余残渣用盐酸浸出。此方法虽然浸出效率高，然而会消耗大量的化学试剂，同时伴有Cl2产生，污染环境。专利(CN101871048A)用碱液将铝片分离，对于脱落下来的含钴酸锂的粉末先用硫酸溶解，再采用Na2SO4或Na2SO3或Fe粉加浓硫酸进行还原溶解，然后采用3-6mol/L硫酸进行高酸溶解，最后用沉淀剂除去碱土杂质。此方法辅料消耗低，金属回收率高，但是在回收过程中需要萃取和反萃取进行各种金属溶液的分离，使用的酸性溶液量较大，各种化学试剂处理成本较高。专利(CN201210432185.4)通过电解剥离出锂电池正极材料中的铝箔，同时获得正极活性物质锂钴浸出液。此方法虽然工艺过程简单，但是需要提供外加电压，消耗电能。现有的回收废锂电池正极材料的方法大多采用酸浸、有机酸浸、碱浸、电解等方法选择性或全部浸出正极钴酸锂，中间伴随着萃取、沉淀、蒸馏等步骤，不仅需要消耗大量的化学试剂，也会带来空气污染和废液的排放问题，步骤繁琐，操作要求高。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中较多使用化学浸出试剂以及微生物燃料电池产电量和功率密度较低、钴的浸出率低的技术问题，而提供一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法。本专利技术通过以下技术方案实现，一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其制备方法如下：构建双室微生物燃料电池(以下简称MFC)，包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔；所述阴极室中包括负载钴酸锂颗粒的碳纸所制成的阴极，所述阳极室中包括负载碳粉改性的碳纸所制成的阳极，所述阴极与所述阳极之间连接一个电阻；在所述阴极室中满室加入NaCl溶液，在所述阳极室中以乙酸钠溶液为底物、接种驯化的活性污泥；MFC运行产电形成通电回路，并浸出钴酸锂中的钴。进一步地，所述碳纸是先经过预处理然后再进行负载；所述预处理过程为：将其置于浓度为30％的H2O2溶液中浸泡15～30min，以去除碳纸表面杂质，浸泡结束后用水反复冲洗碳纸表面直至其表面pH恒定不变，最后将碳纸干燥。进一步地，所述负载钴酸锂颗粒的碳纸其制备方法为：将钴酸锂颗粒与粘接剂混合并在超声波下搅拌形成第一分散体，将所述第一分散体涂抹在碳纸的表面并烘干，即得负载钴酸锂颗粒的碳纸。其中所述钴酸锂颗粒在第一分散体中的密度为0.125～0.25g/mL。进一步地，所述负载碳粉改性的碳纸其制备方法为：将碳粉与粘接剂混合并在超声波下搅拌形成第二分散体，将所述第二分散体涂抹在碳纸的表面并烘干，即得负载碳粉改性的碳纸。其中所述碳粉在第二分散体中的密度为0.125～0.25g/mL。其中所述粘接剂为质量分数为30％～50％的聚四氟乙烯乳液、水性环氧树脂乳液、水玻璃中的一种。粘接剂需满足将碳粉或钴酸锂与碳纸粘接好后能够遇水不溶、固化后厚度薄、能使得碳纸与碳粉或钴酸锂紧密接触的特点。进一步地，所述阳极和所述阴极的间距为4～8cm。电极间距过大或过小对系统产电性能均有影响，会影响质子和电子的传递。进一步地，所述NaCl溶液的浓度为4～5g/L；所述乙酸钠溶液的浓度为2g/L。进一步地，所述驯化的活性污泥是在驯化液中、常温25℃、阴暗、厌氧的环境下驯化6～8天得到；所述驯化的活性污泥其在阳极室的接种量为阳极室容积的0.3～0.35倍，所述驯化的活性污泥与底物的体积比为1:2。驯化是为了在一定条件下得到产电菌种，影响微生物产电的环境因素包括温度、pH、溶解氧及浓度，常温25℃产电菌活性较高，温度太低或者太高都会影响其存活率；其次，培养菌种的过程应该避免光照；保持厌氧状态是为了使溶解氧和氧化还原电位保持在较低的水平。其中每1L驯化液中含有：蔗糖0.2～0.4g、磷酸二氢钾0.2～0.4g、磷酸氢二钾0.2～0.4g、柠檬酸三胺0.1～0.2g、氯化钠0.1～0.3g、氯化铵0.3～0.4g、氯化镁0.3～0.4g、氯化钙0.1～0.2g。有益技术效果：本专利技术一方面通过碳粉改性阳极增大其表面活性，并大大加快电极表面生化反应过程，另一方面阴极室采用氯化钠溶液不产生二次污染，两者结合使电子传递效率和MFC系统电能提高，所构建的MFC开路电压大于0.724V，功率密度大于6822.76mW/m2，钴酸锂中钴的浸出率大于48％；本专利技术利用碳粉改性阳极的碳纸，一方面活性污泥中的微生物降解有机物并释放电子使产电菌群积聚于改性阳极，改性后的阳极更有利于微生物生长，使产生的电子更容易向阳极表面传递，将化学能转变为电能，浸出废锂电池正极材料钴酸锂中的钴；另一方面本专利技术方法操作条件温和、工艺流程简单、不产生二次污染、同时产电性能较高、浸出过程无需其他化学浸出试剂，是一种节能环保实现以废治废的废锂电池回收利用处理方法。附图说明图1为本专利技术方法构建的MFC装置示意图。图2为实施例1和对比例1构建的微生物燃料电池的电压随时间的变化曲线。图3为实施例1和对比例1构建的微生物燃料电池的功率密度曲线图。图4为实施例1中由负载碳粉的改性碳纸所制成的阳极和对比例1未负载碳粉的碳纸所制成的阳极，两者表面SEM图。图5为实施例1中由负载碳粉的改性碳纸所制成的阳极和对比例1未负载碳粉的碳纸所制成的阳极，两者的孔径分布图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例进一步描述本专利技术，但不限制本专利技术范围。实施例1(1)碳纸改性：①碳纸预处理：选取0.2cm厚度的6cm×6cm碳纸作为阳极和阴极的电极材料，将碳纸置于浓度为30％的H2O2溶液中浸泡20min，以去除其表面杂质，然后用去离子水反复冲洗其表面，直至表面pH恒定不变，然后将其干燥备用。②改性：a、制备阳极：将0.5g200目碳粉和4mL质量分数为30％的聚四氟乙烯乳液倒入烧杯中，放入超声波清洗机中超声搅拌分散10min至样品呈粘稠状形成第二分散体，将第二分散体均匀涂抹在碳纸表面，采用烘干粘接的方法至碳粉均匀稳固的负载在碳纸表面，制得负载碳粉改性的碳纸并将其作为阳极。b、制备阴极：以②a同样的方法将0.5g钴酸锂粉末分散在4mL质量分数为30％的聚四氟乙烯乳液中并形成第一分散体，将第一分散体负载在经过①处理的碳纸上，制得负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其特征在于，制备方法如下：构建双室微生物燃料电池，包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔；所述阴极室中包括负载钴酸锂颗粒的碳纸所制成的阴极，所述阳极室中包括负载碳粉改性的碳纸所制成的阳极，所述阴极与所述阳极之间连接一个电阻；在所述阴极室中满室加入NaCl溶液，在所述阳极室中以乙酸钠溶液为底物、接种驯化的活性污泥，使所述双室微生物燃料电池运行产电形成通电回路，并浸出钴酸锂中的钴。

【技术特征摘要】
1.一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其特征在于，制备方法如下：构建双室微生物燃料电池，包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室之间由质子交换膜分隔；所述阴极室中包括负载钴酸锂颗粒的碳纸所制成的阴极，所述阳极室中包括负载碳粉改性的碳纸所制成的阳极，所述阴极与所述阳极之间连接一个电阻；在所述阴极室中满室加入NaCl溶液，在所述阳极室中以乙酸钠溶液为底物、接种驯化的活性污泥，使所述双室微生物燃料电池运行产电形成通电回路，并浸出钴酸锂中的钴。2.根据权利要求1所述的一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其特征在于，所述碳纸是先经过预处理然后再进行负载；所述预处理过程为：将碳纸置于浓度为30％的H2O2溶液中浸泡15～30min，以去除碳纸表面杂质，浸泡结束后用水反复冲洗碳纸表面直至其表面pH恒定不变，最后将碳纸干燥备用。3.根据权利要求1或2所述的一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其特征在于，所述负载钴酸锂颗粒的碳纸其制备方法为：将钴酸锂颗粒与粘接剂混合并在超声波下搅拌形成第一分散体，将所述第一分散体涂抹在碳纸的表面并烘干，即得负载钴酸锂颗粒的碳纸。4.根据权利要求3所述的一种利用微生物燃料电池浸出钴酸锂的方法，其特征在于，所述钴酸锂颗粒在第一分散体中的密度为0.125～0.25g/mL；所述粘接剂为质量分数为30％～50％的聚四氟乙烯乳液、水性环氧树脂、水玻璃中的一种。5.根据权利要求1或2所述的一种利用微生物燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘维平，孙扬，徐杰，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32