去除水中五價銻污染物的方法及燃料電池與流程

本發明涉及一種去除水中五價銻污染物的方法及燃料電池。適用于水處理技術。

背景技術：

近年來，我國工業企業排放的廢水中含有大量的劇毒重金屬離子，有效去除廢水中的重金屬離子一直是水處理技術領域的研究熱點。銻是水中一種有毒有害污染物，存在形式有三價和五價兩種價態，其中以五價態的銻存在形式更常見。與三價銻相比，五價銻的電負性較大，在水中溶解度較高，難以去除。目前，去除水中銻污染物的方法主要包括吸附法、混凝沉淀、和離子交換法等。上述方法通常對三價銻去除效果較好，但對五價銻去除能力有限。

電化學方法是一種有效的凈水技術，是通過在水中發生電化學反應，經過絮凝、沉淀、氧化及還原等過程單一或組合作用，使污染物得到凈化處理。已授權專利(201310059368.0、201310319985.X)和申請專利(申請號：201510131879.8)中都公開了電化學去除五價銻的方法，利用電化學將五價銻還原為三價銻，然后通過吸附、混凝與共沉淀共同作用將三價銻去除。但是這些專利中都需要外加直流電源進行供電，這使得處理成本大大提高。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種無需外加直流電源的去除水中五價銻污染物的方法。

本發明還提供一種能夠利用自身產生的電能去除水中五價銻污染物的燃料電池。

本發明所采用的技術方案是：一種去除水中五價銻污染物的方法，其特征在于：

將含有五價銻污染物的待處理廢水的pH值調節至3-6.5后通入到反應器中反應；

所述反應容器內為厭氧環境；該反應容器內設有鐵陽極，反應容器的側壁開有一通孔，通孔內密封鑲嵌可利用電子和質子將氧氣還原的陰極，鐵陽極和陰極之間串聯電阻。

所述陰極由朝向反應容器內的一側到背向反應容器側依次為催化層、集電材料層、碳基層和擴散層。

所述催化層具有負載鉑碳催化劑；所述集電材料層為防水碳布；所述碳基層為涂布炭黑粉末；所述擴散層為涂布聚四氟乙烯。

所述鐵陽極與陰極之間間距為1～2cm。

一種燃料電池，其特征在于，具有反應容器，反應容器下部設有用于通入含有五價銻污染物待處理廢水的進水口，反應容器上部設有用于排出處理后廢水的出水口，所述反應容器內設有鐵陽極，反應容器的側壁開有一通孔，通孔內密封鑲嵌可利用電子和質子將氧氣還原的陰極，鐵陽極和陰極之間串聯電阻。

所述陰極由朝向反應容器內的一側到背向反應容器側依次為催化層、集電材料層、碳基層和擴散層。

所述催化層具有負載鉑碳催化劑；所述集電材料層為防水碳布；所述碳基層為涂布炭黑粉末；所述擴散層為涂布聚四氟乙烯。

所述反應容器內為厭氧環境。

通入所述反應容器中的含有五價銻污染物的待處理廢水的pH值為3-6.5。

所述鐵陽極與陰極之間間距為1～2cm。

在反應容器中，鐵陽極發生電化學溶解反應，產生亞鐵離子，亞鐵離子在酸性條件下可將五價銻還原成三價銻，三價銻通過與鐵離子的共沉淀或混凝作用得到凈化去除，其反應如下：

Fe→Fe²⁺+2e^-

Sb⁵⁺+2Fe²⁺→Sb³⁺+2Fe³⁺

Sb³⁺+Fe³⁺+3H₂O→Sb³⁺Fe(OH)₃+3H⁺

通過陰極的還原作用將氧氣還原成水：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

本發明具有的有益效果是：(1)通過耦合鐵陽極和能夠利用電子和質子將氧氣還原的陰極，并利用兩者反應的電勢差產生電能，同時該電能又可以作為電混凝的電源；(2)通過鐵陽極的電化學溶解方法產生亞鐵離子，在酸性條件下，可將五價銻還原為三價銻，三價銻再與鐵離子的共沉淀或混凝作用，從而使水中五價銻污染物得到有效凈化去除。

附圖說明

圖1是實施例的結構示意圖。

圖2為實施例中陰極的結構示意圖。

圖中：1-進水口，2-出水口，3-鐵陽極，4-陰極，41-催化層，42-集電材料層，43-碳基層，44-擴散層，5-電阻，6-反應容器。

具體實施方式

如圖1所示，本實施例為一種燃料電池，包括反應容器6，反應容器6為厭氧環境，反應容器6的下部設有進水口1，反應容器6的上部設有出水口2，反應容器6內設有鐵陽極3和能夠利用電子和質子將氧氣還原的陰極4，鐵陽極3和陰極4之間串聯有電阻5。本實施例中在反應容器6的側壁開上有通孔，通孔內密封鑲嵌陰極4。

本實施例中鐵陽極3與陰極4之間間距為1～2cm，從而使得陽極反應產生的質子能夠更迅速地傳遞到陰極4上。

本實施例中陰極4朝向反應容器6內的一側到背向反應容器6側依次為催化層41、集電材料層42、碳基層43和擴散層44(圖2)。其中，催化層與反應容器6內的污水接觸，催化層中的催化劑為負載鉑碳催化劑；集電材料層可選用防水碳布作為電極材料；碳基層可為涂布炭黑粉末，能夠增加電極的導電性；擴散層可為涂布聚四氟乙烯，一方面可防止反應容器6內的水滲出，另一方面可使用外界空氣中的氧氣向催化層方向傳質。

本實施例中陰極4置于空氣與反應容器6內的污水的臨界位置，使得陰極4的外側與空氣接觸，陰極4的內側與反應容器6內的污水接觸。鐵陽極3電化學溶解反應所產生的電子經外電阻5到達陰極4，又由于陰極4的外側與空氣接觸，空氣中的氧氣能夠向陰極4的內側傳遞。從而，鐵陽極3產生的電子和質子將空氣中的氧氣還原而生成水，最終產生電能。

本實施例中通過耦合鐵陽極3和能夠利用電子和質子將氧氣還原的陰極4，并利用兩者反應的電勢差產生電能，同時該電能又可以作為電混凝的電源，并將鐵陽極3電化學溶解產生亞鐵離子，在酸性條件下，可將五價銻還原為三價銻，三價銻再與鐵離子的共沉淀或混凝作用，從而使水中五價銻污染物得到有效凈化去除。

本實施例中燃料電池的工作原理(即去除水中五價銻污染物的方法)如下：

將含有五價銻污染物的待處理廢水的pH值調節至3～6.5。優選地，將含有五價銻污染物的待處理廢水的pH值調節至4.5、5.6或6.5。

使廢水由進水口1進入反應容器6內，在反應容器6內反應后經出水口2引出反應容器6的外部。鐵陽極3發生電化學溶解反應，產生亞鐵離子，亞鐵離子在酸性條件下可將五價銻還原成三價銻，三價銻通過與鐵離子的共沉淀或混凝作用得到凈化去除，其反應如下：

Fe→Fe²⁺+2e^-；

Sb⁵⁺+2Fe²⁺→Sb³⁺+2Fe³⁺；

Sb³⁺+Fe³⁺+3H₂O→Sb³⁺Fe(OH)₃+3H⁺。

其中，鐵陽極3電化學溶解反應所產生的電子經外電阻5到達陰極4；陽極反應產生的質子直接傳遞到陰極4上。陰極4通過還原作用將氧氣還原成水，主要反應的反應式為：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O。