紧凑MFC梯级回收混合金属锡、铁和铜

摘要

印刷线路板酸性蚀刻废水中往往含有高浓度的锡、铁和铜等混合金属，这些含有金属的污水排放到环境中不仅造成环境的污染，也导致了金属资源的极大浪费，因此选取合适的方法回收印刷线路板酸性蚀刻废水中的金属锡、铁和铜，对于避免环境污染和提高金属资源的有效回收利用率具有重要意义。目前，尽管传统的回收方法能够满足金属回收的要求，但是这些方法往往具有其回收设备昂贵、需要额外添加多种化学试剂、消耗能源、易造成二次污染、反应缓慢和经济效益低等缺点，因此人们希望寻求一种更加简单、清洁和高效的回收技术以满足重金属回收的需求。近年兴起的微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是一种清洁有效的兼具污水处理与资源回收的新技术，其在阳极处理有机废水的同时，阴极从含有重金属的废水中回收与分离金属。尽管利用MFCs回收与分离各种金属已有报道，但是大都是基于不同金属的氧化还原电势不同将其分离和回收，这些方法具有以下缺点：(1)某些金属氧化还原电势较低需要外加能源才能回收；(2)需要后续刮取电极才能回收金属，故而增加了回收成本；(3)采用金属作为电子受体，其系统内电流密度往往较小。因此，为了克服上述缺点，本实验依据不同金属沉淀物的溶度积差异探究利用一种紧凑型空气阴极MFC对酸性蚀刻溶液中的混合金属锡、铁和铜进行分离与回收。 本实验探讨了连续流条件下6h、12h、18h和24h四种不同水力停留时间(Hydraulic retention times,HRTs)对于三种金属去除效果以及反应器自身性能的影响。在HRT为6h时金属锡、铁和铜在系统中的去除率分别是75.8%、19.2%和48.6%；在HRT为12h时金属锡、铁和铜在系统中的去除率分别是84.6%、46.2%和57.9%；在HRT为18h时金属锡、铁和铜在系统中的去除率分别是94.5%、76.2%和68.8%；在HRT为24h时金属锡、铁和铜在系统中的去除率分别是97.3%、90.1%和100.0%。上述结果表明，随着HRT的延长，三种金属去除率逐渐提高，当HRT为24h时更利于金属锡、铁和铜的去除。随后又对HRT为24h时的阴极底部沉淀、阴极电极、阳极底部沉淀和阳极电极中的三种金属进行了XPS分析。通过分析得出，金属锡在系统中主要以四价沉淀方式去除；金属铁在系统中均有三价存在，而在阳极中相对于阴极存在更多的二价；金属铜在阴极电极上可以被还原为零价，在系统其他部分可以通过二价去除。 本实验采用连续流更具有工业实践意义，且反应器紧凑单一，节省了基建和设备成本以及占地面积。紧凑空气阴极MFC克服了以往金属回收方法的弊端，成功地实现了印刷线路板酸性蚀刻溶液中混合金属锡、铁和铜的分离和回收，且不同的HRTs对于金属的回收以及系统自身的电化学性能都具有显著的影响。此研究提供了一种在紧凑MFC中分离和回收锡、铁和铜同时产生可再生电能的可供选择和环境友好的方法。

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