申请日2020.12.31
公开（公告）日2021.03.23
IPC分类号C02F1/461; C25B1/04; C02F103/10
摘要
本发明公开了一种电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，该方法利用直流电对酸性矿山废水进行制氢制氧操作，然后利用所制取的氧气对废水进一步处理，使得后续过程对于其中有关的重金属成分的处理更加有效，最后利用电极组对酸性废水进行进一步处理，处理完成后经过简单过滤即可以直接使用或排放；本发明具有处理效果好、产生固体废物少、使用范围广等特点，可以有效的减少酸性矿山废水处理过程中的二次污染、较为稳定的产氢；从而更好的实现了废物的资源化利用，在治理污水的同时获取相应的经济效益和环境效益。
权利要求书
1.一种电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）将酸性矿山废水引入电化学反应器中，利用离子交换膜将电化学反应器分为阴极室和阳极室，在阴极室和阳极室中接入与直流电源连接的阴极和阳极，在通电、密封条件下反应，阴极制取氢气，在阳极制取氧气，并分别收集气体；
（2）将步骤（1）反应后的废水置于污水池中，并在其中持续不断通入步骤（1）中所产生的氧气；
（3）将步骤（2）中经过氧气处理的废水导入电反应器中，在电反应器中并排放入偶数个电极板，并对溶液进行持续的搅拌，通电反应后过滤，过滤后废水直接排放或使用。
2.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（1）中的电化学反应器是使用阴离子交换膜分隔的双室密封反应器。
3.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（1）中的电极材料为低碳钢、锌、镍或不锈钢。
4.根据权利要求3所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：阳极为不锈钢电极，阴极为镍电极。
5.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（1）中电压为2-15V。
6.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（2）中通入氧气的时间为1-3h。
7.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（3）的电反应器中电极板以单极并联的方式接入电源，电极数量为偶数且大于等于4，电极板的材质为铁或铝。
8.根据权利要求1所述的电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法，其特征在于：步骤（3）中的电压为30-120 V。
说明书
电化学处理酸性矿山废水联产能源的方法
技术领域
本发明涉及酸性重金属污水治理的处理技术，特别涉及利用电化学法处理降解有机污水同时联产能源的方法。
背景技术
酸性矿山排水是一个严重的环境问题，是全球采矿业都需要面临的挑战；其主要是由于采矿源暴露于空气，使得微生物和水中的黄铁矿等反应所产生的。它的特点是pH值低，硫酸盐和金属含量高，酸性矿山排水通常包含高浓度的金属，例如铁、锰、锌和少量的镉、铅以及铜和镍。酸性矿山排水倾向于渗透含水层，并产生汇集到水流中污染淡水源。先前的研究已经广泛证实了酸性矿山排水污染对水生生物生态的影响；研究还表明，由于许多重金属离子有毒或致癌且重金属不可生物降解，并易于在生物体中积累，而金属从土壤中浸出，长期采矿效应和受污染的土壤对植物生长和人类健康有影响。由于极低的pH和高浓度的重金属和其他有毒元素的特点，如果处理不当，酸性矿山排水会严重污染地表水和地下水以及土壤，因此，这些废水在排放到环境中之前必须进行处理。
在过去的几十年中，研究工作一直致力于从酸性矿山排水以及工业废水中去除重金属，但当前的酸性矿山排水处理技术仍旧不够完善或是太昂贵。中国专利CN110407414 A公开了“一种酸性矿山废水处理方法”与传统中和法相比通过增加一个持续产氧池，使得废水中的铁得以进行更有效的处理，但其问题在于需要不断的添加药剂，极有可能造成二次污染的同时，会产生大量的固体废弃物，工艺还很复杂，限制性很大。中国专利103936168A公开了“酸性矿山废水污染湖库水体的原位生态修复方法”通过在污染原位上采用表面植物浮床结合底层污泥微生物缓冲处理的方式对被酸性矿山废水污染的水体进行生态修复，虽然其成本较低，但修复时间很长，对于部分污染物和重金属修复效果不够明显，也无法对污染严重的水体进行修复。
近些年来伴随着世界经济的高速发展，对于能源的需求也随之飞速增长，根据国际能源署（IEA）的报告，预计全球能源需求将在未来几十年内持续增长，到2040年将增长50％，传统化石能源的储存量不仅难以支撑人类社会持续高速的发展，而且化石能源使用以后会产生一系列的环境问题，这些问题严重制约了人类社会的可持续发展。氢气由于其来源广泛，热值高，且使用以后不会带来任何污染的清洁能源，正在受到越来越多的关注。但目前获取氢气最多的方式还是依赖于传统化石能源，如何有效环保的获取氢气成为了当前备受瞩目的问题。
发明内容
针对于现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种处理效果更好，且能够同时联产制取能源的处理酸性矿山废水的方法。
本发明电化学处理酸性矿山废水联产新能源的方法包括以下步骤：
（1）将酸性矿山废水引入电化学反应器中，利用离子交换膜将电化学反应器分为阴极室和阳极室，在阴极室和阳极室中接入与直流电源连接的阴极和阳极，在通电、密封条件下反应，在阴极制取氢气，在阳极制取氧气，并分别收集气体；
所述电化学反应器为使用阴离子交换膜分隔的双室密封反应器；电极材料为低碳钢、锌、镍或不锈钢，如阳极为不锈钢电极，阴极为镍电极；施加的电压为2-15V；所述阴离子交换膜为常规市售产品；
（2）将步骤（1）反应后的废水置于污水池中，并在其中持续不断通入步骤（1）中所产生的氧气，通入氧气的时间为1-3h；
（3）将步骤（2）中经过氧气处理的废水导入电反应器中，在电反应器中并排放入偶数个电极板，并对溶液进行持续的搅拌，通电反应后过滤，过滤后废水直接排放或使用；
电反应器中电极板以单极并联的方式接入电源，电极数量为偶数且大于等于4，电极板的材质为铁或铝，施加的电压为30-120V；
所述搅拌可以选择磁力搅拌，也可以进行机械搅拌。
本发明的优点和特点在于：通过使用电化学的方式对酸性矿山废水进行处理联产制取氢气和氧气，相较于中和法产生极少的固体废弃物，并直接利用处理过程中产生的氧气对废水进行进一步处理，有效的去除了水中的铁，使得整体处理效果更好，反应进行的更加彻底；整个体系相较于传统的处理方式不仅效果更好、处理时间更短，而且整个体系组装灵活，可以使用于不同的环境体系下，保证了其具有广泛的适用性具有很好的应用前景；在确保了酸性矿山废水可以安全的排放，保障了矿山周边的环境问题，可以达到废水回收综合利用和环境保护的目的，同时实现经济效益和环境效益的双丰收，对于未来酸性矿山废水综合处理方向提供一个新的视角。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：
（1）将取自某一煤矿的酸性矿山废水（其中Fe浓度为892mg/L、Al浓度为529mg/L、Zn浓度为144mg/L、Mn浓度为1081mg/L、Ca浓度为1984mg/L，pH为2.34）导入体积为3L的有机玻璃电化学反应器中，整个反应器密封，电化学反应器内利用阴离子交换膜（AMI-7001）将反应腔室分隔为阴极室和阳极室，将10cm×10cm×0.2cm的不锈钢电极分别垂直插入反应器的阴极室和阳极室中并接入直流电源，在6.5V的条件下在阴极制取氢气，在阳极制取氧气，分别利用气袋对气体进行收集；
（2）将步骤（1）反应后的废水置于污水池中，并在其中持续不断通入步骤（1）所产生的氧气，通气反应1.5h；
（3）将步骤（2）中经过氧气处理的废水导入4L的有机玻璃单室电反应器中，在反应器中并排放入4组单极并联铝制电极板，并使用磁力搅拌器对溶液进行持续的搅拌，在电压45V条件下通电反应1h后，过滤，滤液直接排放。
对反应前后的水质进行鉴定处理可知，其中较为典型的重金属种类如Fe的去除率为99.96％，Al和Zn的分别为99.59％和99.66％，Mn的96.99％，Ca的99.96％，产氢量为1.72L/h，pH上升至6.9；由实验可知这一方式去除重金属效果很好，且可以同时产氢，无需其他试剂便可以让废水恢复中性，由此还进行了针对这一废水的中试测试。
实施例2：
（1）将取自某一煤矿的酸性矿山废水（其中Fe浓度为1127mg/L、Al浓度为428mg/L、Zn浓度为233mg/L、Mn浓度为942mg/L、Ca浓度为2251mg/L，pH为1.62）导入体积为30 L的亚克力板电化学反应器中，整个反应器密封，电化学反应器内利用阴离子交换膜（FAA-3-PK-130）将反应腔室分隔为阴极室和阳极室，将100cm×100cm×1.5cm的不锈钢阳电极和镍阴极分别垂直插入反应器的阴极室和阳极室中并接入直流电源，在15V的条件下在阴极制取氢气，在阳极制取氧气，分别利用气袋对其进行收集；
（2）将步骤（1）反应后的废水置于污水池中，并在其中持续不断通入步骤（1）所产生的氧气，通气反应2h；
（3）将步骤（2）中经过氧气处理的废水导入40L的有机玻璃单室电反应器中，在反应器中并排放入6组单极并联铝制电极板，并使用机械搅拌对溶液进行持续的搅拌，在电压65V下通电反应1h后，过滤，滤液直接排放；
对反应前后的水质进行鉴定处理可知，其中较为典型的重金属种类如Fe的去除率为98.96％，Al和Zn的分别为98.67％和99.22％，Mn的94.39％，Ca的98.33％，产氢量为8.33L/h，pH上升至7.1；由此可知，在较小的中试条件下，这一处理方式仍旧高效，因而其将会具有更为广泛的运用价值。
（发明人：瞿广飞;邓继加;李军燕;周哲文）
