电对燃料电池用于铬铜镍重金属对苯酚尿素的产电及脱除基础研究

【摘要】水污染及水资源短缺问题是制约国民经济社会可持续发展的重要因素之一。传统的废水处理高能耗、高成本,致使污水处理厂难以为继、减排效益得不到正常发挥。能源需求增加也加剧了当前的能源危机,节能降耗的污水处理技术势在必行。然而,受水处理工艺的节制,技术提升空间有限。废水中蕴藏能量已有共识,提取能量已引起科学工作者的广泛关注。从废水中直接提取电能而无需给能的处理技术必将成为一个热点课题。本论文通过设计由还原性污染物与氧化性污染物组成的液相污染物电对燃料电池,模拟污染物,典型的选取Ethanol-Cr(Ⅳ)、Phenol-Cr(Ⅳ)、Urea-Cr(Ⅳ)、NaBH4-Cu(Ⅱ)及NaBH4-Ni(Ⅱ)电对,将蕴含在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的同时直接去除或转化污染物,为实现污染物脱毒与产电共生进行了基础研究。设计了Ethanol-Cr(Ⅵ)电对燃料电池,以中空Pt/C负载催化阳极与碱性乙醇溶液构成阳极体系、以碳纤维布为电极与酸性Cr(Ⅵ)溶液构成阴极体系,组装成Ethanol-Cr(Ⅵ)电对燃料电池。当Cr(Ⅵ)为3.94mM时可产生开路电压1.46V,负载985Ω外电阻后得到0.7V的输出电压,运行54h后Cr(VI)去除率达96%,起始Cr(VI)浓度为8.65mM时最大功率密度为1900mWm-2。当用带苯环的碳氢污染物苯酚为燃料、以Ni/C负载催化阳极代替Pt/C催化阳极时,940mgL-1的苯酚实现98%的去除率,同时300mgL-1Cr(Ⅵ)达到99%的去除。苯酚在阳极发生电氧化转化为无毒的低分子量有机酸,Cr(VI)在阴极电还原为低毒性Cr(Ⅲ)。此时,开路电压为1.2V、功率密度184mWm-2。选择尿素或尿液作为燃料注入电对燃料电池,负载NiCo/C催化剂为阳极,组装的urea/urine-Cr(Ⅵ)电对燃料电池,0.033M燃料、150mgL-1Cr(Ⅵ)的开路电压为1.08V、最大功率密度为220mWm-2，负载985Ω外电阻运行25h后Cr(Ⅵ)去除率99.4%。改用尿液为燃料,其开路电压为0.84V,最大功率密度为90mWm-2,对应Cr(VI)去除率达98.4%。在此基础上,探索了低电位金属离子在电对燃料电池阴极的还原与去除。以尿素、乙醇、葡萄糖、淀粉和硼氢化钠为燃料,铜离子为氧化剂的电对燃料电池产生的开路电压分别为0.58V、0.65V、0.78V、0.65V和1.5V。当燃料为0.2MNaBH4和2MKOH,铜离子浓度为400mgL-1时,可产生1.5V的开路电压,最大功率密度为1000mWm-2。外加985Ω负载后输出电压为0.65V,运行23h后铜离子去除率达99.9%。若将400mgL-1Ni2+注入电对电池的阴极液,开路电压为1.05V、最大功率密度为260mWm-2。电池运行45.7h后,镍离子去除率达54.8%。由此可见,Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)与苯酚或尿素组成的电对燃料电池中可实现直接产电,同时污染物得以去除。这一方法可望成为污染物处理的一种新技术。
【作者】张慧敏；
【导师】吴祖成；
【作者基本信息】浙江大学，环境工程，2014，博士
【关键词】电对燃料电池；收获电能；污染物脱毒；铬铜镍；苯酚；尿素；

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