一种去除焦化污泥中重金属离子的装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于焦化污泥处理技术领域，具体涉及一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，该装置为微生物燃料电池联合微生物电解池，含有电解质溶液、重金属离子、阳离子交换膜、生物阳极和生物阴极等；通过调控外加电压，定向驯化抗单一重金属毒性的生物膜阴极；有机物作为碳源并通过生物阴极还原焦化污泥浸取液中重金属离子。本发明专利技术采用微生物燃料电池联合微生物电解池处理焦化污泥浸取液中的重金属离子，并且通过建立生物阴极加快处理焦化污泥中重金属离子的降解，提高了处理重金属生化法的生物活性，再在该装置中因阳极室微生物氧化有机物的原理可有效处理浸取液中的苯酚等有机物。原理可有效处理浸取液中的苯酚等有机物。原理可有效处理浸取液中的苯酚等有机物。

【技术实现步骤摘要】
一种去除焦化污泥中重金属离子的装置


[0001]本专利技术属于焦化污泥处理
，具体涉及一种去除焦化污泥中重金属离子的装置。

技术介绍

[0002]经济迅猛发展，人民生活安乐，但我国的生态环境越来越严重且这破坏是不可逆的，严重威胁人类未来的发展。目前，国内大多数工厂使用的传统生化法产生的焦化污泥含有多种有机物和Pb、Cd、Cr、Hg 等重金属成分，而焦化污泥的主要处置手段为污泥配煤炼焦法，焚烧烟气中重金属含量升高，焚烧炉渣中重金属的浸出毒性等都存在极大环境污染，危害人类健康。
[0003]生物阴极微生物电解池是近几年兴起的兼具污染处理与节能新技术，应用该技术处理重金属，活性明显高于传统生化法。且基于活微生物细胞（电营养物质）以减少过电位的生物阴极，与非生物阴极相比，具有低成本，连续再生和不易腐蚀等优点。早期的研究中生物阴极微生物电解池主要是用来制备氢气，到现在发展到可以进行废水处理、脱盐、生产化工产品等。阴极材料的性能影响着整个电解池的还原效率，一般选择铂网等贵金属作为电解池的阴极，可以有效降低阴极反应过电势，提高电解池的整体性能。但是铂的成本较高、使用寿命短，许多科研人员将目光放在了合金催化电极、碳材料等方面。
[0004]随着研究的逐步发展，使用微生物电解池在金属去除或回收方面显示出很大的希望。如：Huang等人使用碳酸氢钠作为碳源并在所谓的双腔电化学系统中生物阴极上回收各种重金属离子，由于内阻低，结构简单，成本效益高，维护实用方便；Abourached等人单室生物电化学在处理组合有机物和重金属废水方面显示出更多优势；陈一染等人研究了在不同电压以及不同碳源下生物阴极去除镉的效率，有机物作为阴极碳源能有效提高装置除镉的浓度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种生物阴极电化学系统去除焦化污泥中重金属离子的装置，该装置采用微生物燃料电池与微生物电解池联合去除焦化污泥浸取液中重金属离子和有机物，实现焦化污泥的无害化的全处理。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，包括焦化污泥浸取液罐、MFC（Microbial fuel cell，微生物燃料电池）阴极室、MFC除铬阴极、MFC除汞阴极、共用阳极室、MFC阳极、MEC阳极、MEC（Microbial electrolysis cell，微生物电解池）阴极室、MEC除铅阴极、MEC除镉阴极、回收池、储液罐、一号泵和二号泵；所述焦化污泥浸取液罐的出口与MFC阴极室的入口连接，所述MFC除铬阴极和MFC除汞阴极设置于MFC阴极室，所述MFC阴极室的出口通过一号泵与MEC阴极室的入口连接，所述MEC除铅阴极和MEC除镉阴极设置于MEC阴极室，所述MEC阴极室的出口与储液罐的入口连
接，所述储液罐的出口通过二号泵与共用阳极室连接，所述共用阳极室的出口与回收池连接，所述MFC阳极和MEC阳极设置于共用阳极室，所述MFC除铬阴极与MFC除汞阴极串联，通过细铜丝和固定电阻箱与MFC阳极连接，所述MEC阳极通过外加电源与MEC除铅阴极、MEC除镉阴极连接，所述MEC除铅阴极和MEC除镉阴极并联，所述MFC阴极室、共用阳极室和MEC阴极室内均设置有阳离子交换膜，用于将相应的阴阳极隔开。
[0007]进一步，所述外加电源为直流稳压电源，电源间歇式输出电压为0.3V和0.5V，间歇时间为4h；所述固定电阻箱为500Ω或1000Ω。
[0008]进一步，所述MFC阳极和MEC阳极为生物膜阳极，所述MFC阳极和MEC阳极的电极基底材料为碳毡、碳棒、碳纳米管、碳颗粒、碳刷或石墨毡，所述MFC阳极为两个串联的电极。
[0009]进一步，所述共用阳极室中的电解液由缓冲溶液和碳源组成，所述缓冲溶液为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠，所述碳源为葡萄糖、乙酸钠、碳酸氢钠、焦化废水中的有机物。
[0010]进一步，所述MFC除铬阴极、MFC除汞阴极、MEC除铅阴极和MEC除镉阴极由阴极集流体和阴极集流体表面负载微生物的生物阴极膜组成，所述阴极集流体为不锈钢网、铂网、铁网、钛网、泡沫镍。
[0011]更进一步，所述MFC除铬阴极、MFC除汞阴极、MEC除铅阴极和MEC除镉阴极的制备方法，包括以下步骤：（1）按质量比为2：1称取氧化石墨烯和二氧化钛粉末加入二次蒸馏水中，超声分散，得到稳定的分散液；（2）用粒径为0.05μm的氧化铝粉末将阴极集流体进行磨料抛光，依次用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，于室温下干燥；（3）向步骤（1）得到的分散液加入0.05mol/L的NaCl溶液，将步骤（2）得到的阴极集流体放置于其中，通入氮气驱氧，采用循环伏安法将氧化石墨烯和二氧化钛沉积到阴极集流体；（4）在外加电压条件下，通过电极极性反转将步骤（3）得到的阴极集流体在含有产电菌群与碳源的电解质溶液中进行驯化，得到相应的生物阴极；（5）生物阴极的启动采用梯度驯化方式，即模拟电解液中的四种重离子浓度以5~20mg/L逐步递增，直至在多个批次中得到稳定的重金属去除率，得到抗单一重金属毒性的生物膜阴极；（6）将3.0mg/L的Cr（VI）、1.0mg/L的Hg（II）、3.0mg/L的Cd（II）、1.0mg/L的Pb（II）的混合溶液依次流过MFC阴极室和MEC阴极室，多次循环后各种金属离子的浓度提高到5 mg/L，得到所述MFC除铬阴极、MFC除汞阴极、MEC除铅阴极和MEC除镉阴极。
[0012]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：1、本装置采用生物阴极型的微生物燃料电池和微生物电解池联合系统有效去除焦化污泥浸取液中的四种重金属离子，同时利用阳极分解有机物提供电子的机理同步实现去除污泥浸取液中的有机物。
[0013]2、本装置的阴极使用纳米材料中的碳材料和金属材料在不锈钢网、铂网、铁网、钛网、泡沫镍的沉积，提高了阴极电极的表面积和导电能力，对焦化污泥浸取液具有较好的适应性且处理效果好，性能高效稳定。
[0014]3、本装置将微生物燃料电池和微生物电解池的阳极放在一个共同的阳极室，极大的降低了装置的构建成本，实现真正地连续运行。
[0015]4、本装置的微生物电解池采用间歇式操作模式，实现了重金属的有效去除，此设备工艺简单，操作方便。
附图说明
[0016]图1为去除焦化污泥中重金属离子装置的示意图；其中，1
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焦化污泥浸取液罐，2
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MFC除铬阴极，3
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MFC阴极室，4
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MFC除汞阴极，5
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MFC阳极，6
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共用阳极室，7
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MEC阳极，8
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外加电源，9
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MEC阴极室，10
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MEC除铅阴极，11
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MEC除镉阴极，12
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回收池，13
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储液罐，14
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一号泵，15
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，其特征在于，包括焦化污泥浸取液罐、MFC阴极室、MFC除铬阴极、MFC除汞阴极、共用阳极室、MFC阳极、MEC阳极、MEC阴极室、MEC除铅阴极、MEC除镉阴极、回收池、储液罐、一号泵和二号泵；所述焦化污泥浸取液罐的出口与MFC阴极室的入口连接，所述MFC除铬阴极和MFC除汞阴极设置于MFC阴极室，所述MFC阴极室的出口通过一号泵与MEC阴极室的入口连接，所述MEC除铅阴极和MEC除镉阴极设置于MEC阴极室，所述MEC阴极室的出口与储液罐的入口连接，所述储液罐的出口通过二号泵与共用阳极室连接，所述共用阳极室的出口与回收池连接，所述MFC阳极和MEC阳极设置于共用阳极室，所述MFC除铬阴极与MFC除汞阴极串联，通过细铜丝和固定电阻箱与MFC阳极连接，所述MEC阳极通过外加电源与MEC除铅阴极、MEC除镉阴极连接，所述MEC除铅阴极和MEC除镉阴极并联，所述MFC阴极室、共用阳极室和MEC阴极室内均设置有阳离子交换膜，用于将相应的阴阳极隔开。2.根据权利要求1所述的一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，其特征在于，所述外加电源为直流稳压电源，电源间歇式输出电压为0.3V和0.5V，间歇时间为4h；所述固定电阻箱为500Ω或1000Ω。3.根据权利要求1所述的一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，其特征在于，所述MFC阳极和MEC阳极为生物膜阳极，所述MFC阳极和MEC阳极的电极基底材料为碳毡、碳棒、碳纳米管、碳颗粒、碳刷或石墨毡，所述MFC阳极为两个串联的电极。4.根据权利要求1所述的一种去除焦化污泥中重金属离子的装置，其特征在于，所述共用阳极室中的电解液由缓冲溶液和碳源组成，所述缓冲溶液为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵煜，王霞霞，张武胜，王海成，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：