一种流体电池及利用其双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法技术

本发明专利技术公开了一种流体电池及利用其双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法。以重金属离子废水作为电池正极，有机染料废水作为电池负极，正负极通过隔膜隔离，组成流体电池，并通过重金属离子废水的氧化性氧化有机染料废水，从而达到正负极废水的双效处理以及电能的产生；所述流体电池的结构还包括正负极集流体。本发明专利技术所述流体电池的放电电压高，对废水中铬离子的降解效率接近100％，对有机染料降解效率可达95.6％；在双效处理重金属离子和有机染料的同时获得能，操作方法简单易行、绿色环保、经济实用，对处理污水中重金属离子和有机染料的方法具有重要意义。

A Fluid Battery and Its Dual Effective Treatment of Heavy Metal Ions and Organic Dyes in Wastewater

【技术实现步骤摘要】
一种流体电池及利用其双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法
本专利技术属于废水处理
，具体涉及一种流体电池及利用其双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法。
技术介绍
近年来，随着我国工业化步伐不断加快，污染物的排放使环境日趋恶化，其中，工业废水中含有大量有毒重金属和有机染料，其所产生的环境污染被认为是最为严重的污染之一。重金属离子和染料废液进入环境后往往不能被生物降解，对人类和动物都会造成严重的伤害。因此如何处理工业废水越来越引起人们的重视。目前，处理含铬废水的方法主要有还原中和法、离子交换法、电解法、生物法以及吸附法等。工业生产中处理铬废水最常用的方法是还原中和法，相较其他方法，该方法对铬去除率高，但该方法也存在许多弊端，如处理过程繁杂、易造成二次污染，造成渣场堆存；铬废水处理其他方法也存在诸多弊端，如离子交换树脂法受pH值的影响较大，电解法和化学还原法处理废水后产生大量沉淀不易处理，生物法对环境条件要求敏感、稳定性差，吸附法处理能力较低、难以实现工业化，且一般吸附剂化学硬度和稳定性难以保证。同时，处理有机染料废水的方法主要有氧化还原法、电解法、混凝沉淀法、膜分离技术和吸附法等方法。混凝沉淀法虽然流程简单、处理废水量大，但是该方法会产生大量污泥，其后期处理较为麻烦。氧化法因具有适用范围广、反应速度快、条件易控制等优点而被广泛应用，但该方法在反应过程中容易引入新的污染物且对原水的水质要求苛刻、成本较高。而膜分离法中使用的选择性半透膜易被污染而丧失处理能力，且该方法成本较高，因此多使用在污水的深度处理中。此外，由于重金属离子废水(尤其是铬废水)和有机染料废水化学性质迥异，传统处理方法一般需要分级分次处理，因此寻找一种经济高效的双效处理重金属离子废水(尤其是铬废水)和有机染料废水的方法具有重要意义。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种流体电池。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述流体电池双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法。该方法能双效处理重金属离子废水和有机染料废水的同时，还能产生电能。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种流体电池，其正极为重金属离子废水，负极为有机染料废水，正负极通过隔膜隔离，组成流体电池；所述流体电池的结构还包括正极集流体、负极集流体和负极催化剂，所述负极催化剂为铁基尖晶石氧化物。所述重金属离子废水优选为铬离子废水，有机染料废水优选为偶氮类染料溶液。所述铬离子废水优选为重铬酸钾和/或重铬酸钠溶液，所述偶氮类染料溶液优选为甲基红溶液、甲基橙溶液和亚甲基蓝溶液中的至少一种。所述流体电池的结构还包括正极反应仓、正极储液仓、负极反应仓、负极储液仓、碳纤维布和泡沫碳。流体电池可参照流体电池原理及现有技术组装获得，例如其中的一种方式为：将正极限定于正极反应仓内，泡沫碳放置在负极反应仓内，负极限定于负极反应仓内，负极催化剂涂覆在负极集流体上；正极的碳纤维布、正极集流体、正极反应仓、隔膜、负极反应仓、负极集流体、负极的碳纤维布堆叠排列；正极储液仓与正极反应仓连接，负极反应仓与负极储液仓连接。正极碳纤维布和负极碳纤维布与外电路连接，从而输出电压；通过蠕动泵使正极储液仓、负极储液仓内的液体分别流动到正极反应仓、负极反应仓。所述隔膜的隔离面积(正负极接触面积)优选为3cm×3cm；所述正极反应仓和负极反应仓的体积均优选为3cm×3cm×2mm；所述正极储液仓和负极储液仓的容积均优选为50mL；所述流体电池的装置模具优选为塑胶材质模具，其性能稳定；更优选为亚克力材质模具；所述装置模具的尺寸优选为10cm×10cm×1cm；所述碳纤维布尺寸优选为1cm×2cm。所述催化剂更优选为纳米铁酸镍、纳米铁酸锌、纳米铁酸钴和纳米铁酸锰中的至少一种，其比表面积高；所述催化剂的主要功能为催化染料分子分解及氧化，一方面催化染料分子分解，另一方面催化分解后的小分子氧化，从而和正极流体形成电势差，产生电流。所述催化剂涂覆在负极集流体上，其用量优选为10～20mg/cm2。所述催化剂优选为与导电碳、PVDF(聚偏氟乙烯)混合并一起溶解在有机溶剂中，搅拌研磨后涂覆在负极集流体上。所述催化剂、导电碳和PVDF的质量比优选为(1-10)：1.5：1.5，更优选为7：1.5：1.5；所述催化剂与有机溶剂的质液比优选为0.01-0.1g/ml，更优选为0.07g/ml和0.1g/ml。所述有机溶剂优选为NMP(N-甲基吡咯烷酮)。所述隔膜优选为双极性膜；更优选为双极性膜TRJBM；所述隔膜的主要功能为传导氢离子或氢氧根离子。所述正极集流体和负极集流体均为石墨，其中重金属离子废水作为电池正极活性物质及载体，有机染料废水作为电池负极活性物质及载体，通过蠕动泵分别形成正负极流体，所述正负极流体的流动速率均优选为5～15rpm。所述石墨优选为石墨纸。所述流体电池更优选为：重铬酸钾溶液作为正极，甲基橙溶液作为负极，纳米铁酸镍作为催化剂；或者为：重铬酸钾溶液作为正极，甲基红溶液作为负极，纳米铁酸钴作为催化剂；或者为：重铬酸钠溶液作为正极，亚甲基蓝溶液作为负极，纳米铁酸锌或铁酸锰作为催化剂。所述电能的产生通过正、负极流体的电势差实现。上述流体电池可应用于双效处理废水中重金属离子和有机染料，具体应用方法为：以待处理的重金属离子废水作为正极、待处理的有机染料废水作为负极，组成上述流体电池；通过重金属离子废水的氧化性氧化有机染料废水，从而达到正负极废水的双效处理以及电能的产生。上述应用方法中，所述重金属离子废水优选为铬离子废水，有机染料废水优选为偶氮类染料溶液。所述铬离子废水优选为重铬酸钾和/或重铬酸钠溶液，所述偶氮类染料溶液优选为甲基红溶液、甲基橙溶液和亚甲基蓝溶液中的至少一种。所述铬离子废水中重铬酸根离子的浓度优选为30～90mg/L；所述有机染料废水中有机染料的浓度优选为30～90mg/L。本专利技术提供一种流体电池和利用该流体电池双效处理废水中重金属离子和有机染料的方法，在降解废水的同时可持续向外输出电能。此方法不仅可以满足同时处理重金属离子和有机染料的基本要求，而且还能在废水处理的过程中获得电能，是一种高效、经济的污水治理方法。本专利技术以有机染料废水(有机染料溶液)作为负极活性溶液，重金属离子(重铬酸根离子)溶液作为正极活性溶液，铁基尖晶石材料作为负极催化剂材料；待流体电池装置安装好之后，通过蠕动泵，将重金属离子(重铬酸根离子)溶液和有机染料溶液分别由正、负极的软管进入流体电池的正极反应仓和负极反应仓中，由于重金属离子(重铬酸根离子)溶液和有机染料溶液之间存在电势差，因此可以自发进行氧化还原反应，同时在废水处理的过程中可持续获得电能。在放电过程中，正极重铬酸根发生还原反应，使六价铬离子被还原至三价，达到降解铬(VI)的目的；负极有机染料发生氧化反应，使染料的强生色基团偶氮双键被氧化破坏，随着反应进行，染料逐渐被降解至无色透明。同时，在负极添加铁基尖晶石材料作为催化剂材料，可以显著提高染料降解速度和输出电压。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术提供了一种流体电池及其在处理废水中重金属离子及有机染料中的应用，利用该流体电池在降解重金属离子的同时处理了有机染料废水，对重金属离子铬离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流体电池，其特征在于，其正极为重金属离子废水，负极为有机染料废水，正负极通过隔膜隔离，组成流体电池；所述流体电池的结构还包括正极集流体、负极集流体和负极催化剂，所述负极催化剂为铁基尖晶石氧化物。

【技术特征摘要】
1.一种流体电池，其特征在于，其正极为重金属离子废水，负极为有机染料废水，正负极通过隔膜隔离，组成流体电池；所述流体电池的结构还包括正极集流体、负极集流体和负极催化剂，所述负极催化剂为铁基尖晶石氧化物。2.根据权利要求1所述一种流体电池，其特征在于，所述隔膜为双极性膜。3.根据权利要求2所述一种流体电池，其特征在于，所述催化剂为纳米铁酸镍、纳米铁酸锌、纳米铁酸钴和纳米铁酸锰中的至少一种；所述隔膜为双极性膜TRJBM。4.根据权利要求1或2或3所述一种流体电池，其特征在于，所述催化剂涂覆在负极集流体上，其用量为10～20mg/cm2。5.根据权利要求1或2或3所述一种流体电池，其特征在于，所述正极集流体和负极集流体均为石墨，其中重金属离子废水作为电池正极活性物质及载体，有机染料废水作为电池负极活性物质及载体，通过蠕动泵分别形成正负极流体，所述正负极流体的流动速率均为5～15rpm。6.根据权利要求1或2或3所述一种流体电池，其特征在于，所述流体电池的结构还包括正极反应仓、正极储液仓、负...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉，侯贤华，罗婷，王韶峰，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44