【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于污水处理，具体的说，是涉及一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统与方法。
技术介绍
1、含有有毒污染物的废水影响着全世界数百万人，是导致疾病和死亡的主要风险因素。在废水中的各种污染物中，重金属离子因其不可生物降解、毒性大、极易通过饮水或生物链在生物体中积累富集等特点引起了广泛关注。因此，去除和回收废水中的重金属离子是循环经济的内在要求。到目前为止，人们已经开发了多种方法来吸附污水中的重金属离子，如化学沉淀法、吸附法、离子交换法和膜分离法。然而，上述所有技术都存在一些局限性。例如，化学沉淀法对含有高浓度重金属离子废水的处理效果较好。然而，当污染浓度较低时，化学沉淀是不可行的。此外，它还会产生二次污染，需要进一步分离。尽管物理吸附具有操作简单、成本低的优点，但吸附动力学缓慢、表面吸附位点有限等问题仍然阻碍了物理吸附的发展。此外，离子交换和膜分离技术的应用还面临着膜再生和成本高的挑战。因此，探索吸附性能优异且具有实际应用前景的新型方法对吸附废水中的重金属离子具有重要意义。
2、基于电压或电流驱动的电化学方法是一种极具吸引力的吸附废水中重金属离子的技术。与常见的物理吸附相比，电化学过程的去除动力学更快；此外，得益于氧化还原反应的吸附机制，其对重金属的吸附量普遍高于物理吸附。斯坦福大学崔屹等人开发了一种电沉积方法去除废水中重金属离子，该方法可以在外加电场作用下在导电基底上实现重金属快速沉积，但其对重金属离子的沉积电位要求较高，并且高的电压造成了较大的能量浪费。电化学吸附是通过在活性电极上吸附重金属离子来分离废
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决去除污水中重金属离子的相关技术问题，提供了一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统与方法；该方法具有清洁、高效等特点，可吸附多种重金属离子；更最重要的是，相比于传统的重金属离子去除过程，该装置不消耗电能，反而可以实现能量输出，在污水重金属离子处理领域具有广泛应用前景。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、根据本专利技术的一个方面，提供了一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，包括重金属离子吸附腔和电荷匹配腔，所述重金属离子吸附腔和所述电荷匹配腔由阴离子交换膜隔开；所述重金属离子吸附腔内设有重金属离子吸附电极，并且储有含重金属离子的污水；所述电荷匹配腔内设有金属电极，并储有含有离子的水溶液；
4、其中，所述重金属离子吸附电极具有正氧化还原电势，所述金属电极具有负氧化还原电势；通过所述重金属离子吸附电极与所述金属电极之间的电势差，使得所述重金属离子吸附电极与所述金属电极与外电阻连接时，能够实现自发放电；
5、在自发放电过程中，所述污水中的重金属离子在电势差作用下迁移并被吸附到所述重金属离子吸附电极的活性材料上；同时，所述金属电极释放出金属离子，所述阴离子交换膜用于防止所述电荷匹配腔中的金属离子迁移到所述重金属离子吸附腔。
6、根据本专利技术的另一个方面，提供了一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的方法，设置重金属离子吸附腔和电荷匹配腔，所述重金属离子吸附腔和所述电荷匹配腔由阴离子交换膜隔开；所述重金属离子吸附腔内设置重金属离子吸附电极，并且储有含重金属离子的污水；所述电荷匹配腔内设置金属电极，并储有含有离子的水溶液；
7、其中，所述重金属离子吸附电极具有正氧化还原电势，所述金属电极具有负氧化还原电势；通过所述重金属离子吸附电极与所述金属电极之间的电势差，使得所述重金属离子吸附电极与所述金属电极与外电阻连接时，能够实现自发放电；
8、在自发放电过程中，所述污水中的重金属离子在电势差作用下迁移并被吸附到所述重金属离子吸附电极的活性材料上；同时，所述金属电极释放出金属离子，所述阴离子交换膜用于防止所述电荷匹配腔中的金属离子迁移到所述重金属离子吸附腔。
9、在上述系统和方法中：
10、进一步地，所述重金属离子吸附电极的活性材料具有氧化还原活性。
11、优选地，所述活性材料为导电聚合物、金属氧化物、普鲁士蓝类似物中的至少一种。
12、进一步地，所述金属电极采用金属单质或合金材料。
13、进一步地，所述污水中的重金属离子包括相对原子质量大于55的金属离子中的至少一种。
14、进一步地，所述电荷匹配腔内水溶液中的离子为金属离子和非金属离子中的一种或多种。
15、进一步地，所述重金属离子吸附电极在吸附结束后取出，并利用化学氧化剂氧化，能够使其活性材料吸附的重金属离子脱出。
16、进一步地，所述化学氧化剂为具有氧化性的物质；在氧化所述重金属离子吸附电极的过程中，所述化学氧化剂自身被还原。
17、优选地，所述化学氧化剂为氧气、双氧水以及次氯酸盐中的至少一种。
18、对于上述同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其制备和使用过程如下：
19、1)重金属离子吸附电极的制备：
20、将活性材料、导电剂和粘结剂按一定质量比混合涂覆于导电基底，也可将其直接生长于导电基底得到重金属吸附电极。
21、在一些实施例中，所述活性材料为导电聚合物、金属氧化物、普鲁士蓝类似物中的一种或多种。
22、在一些实施例中，所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管等碳材料中的一种或多种。
23、在一些实施例中，所述混合涂覆方法还可以替换为真空抽滤法或原位生长法。
24、在一些实施例中，所述导电基底为导电碳材料、铝箔、钛箔、不锈钢网中的一种。
25、2)金属电极的制备：
26、直接利用金属箔片作为电极，或将金属材料负载于基底上。
27、在一些实施例中，所述金属箔片为锂、钠、钾、锌、镁、铝中的一种或几种。
28、在一些实施例中，所述金属材料为金属单质或合金材料。
29、在一些实施例中，所述负载方式为涂覆法、蒸镀法、原位生长法中的一种。
30、在一些实施例中，所述基底为导电碳材料、铜箔、钛箔、不锈钢网中的一种。
31、3)系统的组装：
32、系统包括阴离子交换膜隔开的重金属离子吸附腔和电荷匹配腔。在重金属吸附腔中，含重金属离子的污水和重金属离子吸附电极分别作为电解液和电极；在电荷匹配腔中，含有离子的水溶液和金属分别作为电解液和电极。
33、其中，重金属离子吸附电极具有正氧化还原电势，金属电极具有负氧化还原电势。
34、4)重金属离子吸附过程：
35、通过重金属离子吸附电极与金属电极之间的电势差，使得重金属离子吸附电极与金属电极与外电阻连接时，能够实现自发放电。
36、在自发放电过程中，污水中的重金属离子在电势差作用下迁移并本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，包括重金属离子吸附腔和电荷匹配腔，所述重金属离子吸附腔和所述电荷匹配腔由阴离子交换膜隔开；所述重金属离子吸附腔内设有重金属离子吸附电极，并且储有含重金属离子的污水；所述电荷匹配腔内设有金属电极，并储有含有离子的水溶液；
2.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述重金属离子吸附电极的活性材料具有氧化还原活性。
3.根据权利要求2所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述活性材料为导电聚合物、金属氧化物、普鲁士蓝类似物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述金属电极采用金属单质或合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述污水中的重金属离子包括相对原子质量大于55的金属离子中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述电荷匹配腔内水溶液中
7.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述重金属离子吸附电极在吸附结束后取出，并利用化学氧化剂氧化，能够使其活性材料吸附的重金属离子脱出。
8.根据权利要求9所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述化学氧化剂为具有氧化性的物质；在氧化所述重金属离子吸附电极的过程中，所述化学氧化剂自身被还原。
9.根据权利要求8所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述化学氧化剂为氧气、双氧水以及次氯酸盐中的至少一种。
10.一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的方法，其特征在于，设置重金属离子吸附腔和电荷匹配腔，所述重金属离子吸附腔和所述电荷匹配腔由阴离子交换膜隔开；所述重金属离子吸附腔内设置重金属离子吸附电极，并且储有含重金属离子的污水；所述电荷匹配腔内设置金属电极，并储有含有离子的水溶液；
...【技术特征摘要】
1.一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，包括重金属离子吸附腔和电荷匹配腔，所述重金属离子吸附腔和所述电荷匹配腔由阴离子交换膜隔开；所述重金属离子吸附腔内设有重金属离子吸附电极，并且储有含重金属离子的污水；所述电荷匹配腔内设有金属电极，并储有含有离子的水溶液；
2.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述重金属离子吸附电极的活性材料具有氧化还原活性。
3.根据权利要求2所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述活性材料为导电聚合物、金属氧化物、普鲁士蓝类似物中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述金属电极采用金属单质或合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金属离子吸附和发电的系统，其特征在于，所述污水中的重金属离子包括相对原子质量大于55的金属离子中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种同时实现污水重金...
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