我院高常飞副教授课题组在使用生物电化学系统实现金、铂和钯的电还原回收以及氰化物的电氧化处理方面的研究取得重要成果

图文摘要

成果介绍

近日，我院高常飞副教授课题组在Bioresource Technology Reports上发表了题为“Electroreduction recovery of gold, platinum and palladium and electrooxidation removal of cyanide using a bioelectrochemical system”的研究论文。在碳电极耦合的生物电化学系统（BES）中对Au，Pt和Pd进行了电还原和电沉积回收。碳刷的总伏安电荷达到0.180 C cm⁻²。碳刷电极的活性位点多存在于电极表面，电荷转移电阻和碳刷生物膜的电阻仅为5.2 Ω和1.5 Ω。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和X射线衍射仪对电还原产物进行了分析。金、铂和钯的能效分别达到2.22 kWh⁻¹，4.45 kWh⁻¹和2.27 kWh⁻¹，最大功率密度1.16 W m⁻²。探索了MFC耦合电解池的BES系统在氰化物尾矿浸出液处理中的工程应用潜力，同时实现了Au/Pt/Pd的电还原回收和氰化物的电氧化去除（CN⁻的去除效率100%）。

第一作者：王涵文

通讯作者：高常飞副教授（烟台大学）

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101007

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针对目前的氰化物污染现状及贵金属废水处理方法的高能耗和二次污染严重的问题，本工作的目的是寻找合适的BES实现贵金属的高效回收和氰化物的快速降解。在这项研究中，使用BES处理贵金属废水，在实验过程中通过改变实验参数来优化处理性能。为了更贴近实际的贵金属废水处理，在实验后期，针对金矿提取过程中含氰渗滤液废水设计了BES-电解池耦合系统（BES-EC），用于回收贵金属同时处理氰化物。

引言

随着现代社会电子产业的快速发展，随之而来的是电子垃圾的大量产生。全球每年产生约4000万吨的电子垃圾，大量贵金属随着这些电子垃圾流入自然环境。金属离子对自然界的污染值得全世界关注，尤其是人为途径造成的。处理此类废物的重点是如何实现贵金属的可持续性。贵金属（金、铂、钯）及其配合物被广泛用作促进电镀过程的催化剂，电镀过程被认为是制造精细产品的一个非常重要的部分。目前用于回收贵金属的方法主要包括电化学沉积、化学沉淀、溶剂萃取、生物回收、共轭吸附剂和离子交换树脂。这些处理方法需要额外的成本，并且存在潜在的安全隐患（剧毒试剂、二次毒性产物等）。作为一个全球化的社会，我们离物质系统的闭环还很远。环保加工技术对于实现关键材料回收和解决全球贵金属流失至关重要。

图文导读

BES产电性能

Fig. 2. (a) Voltage-resistance curve and (b) polarization curve of catalytic electrodes.

对带有不同阳极的BES进行了性能测试。将阳极细菌接种到反应器48h后，阳极电位稳定，表明细菌的活性和代谢正常。碳刷阳极（1.22V）的OCV明显高于其他两个电极（碳棒，1.12V；碳纸1.08V），这证明碳刷与BES相比可以显着提高BES的发电性能。BES的最大功率密度分别为1.16 Wm-2（碳刷）、0.71 Wm-2（碳棒）和0.53 Wm-2（碳纸）。

贵金属去除性能

Fig. 3. Effect of anode type on the reduction of precious metals (a. Au; b. Pt; c. Pd).

碳刷阳极耦合的MFC系统对于贵金属离子的回收效率明显高于其他两个对照组。以碳刷为阳极时，BES的贵金属回收率可达93.3%以上。通过反应速率准一级模型，碳刷作为阳极的贵金属还原反应速率常数分别为0.99 h-1 （Au）、0.56 h-1 （Pt）和0.97 h-1（Pd）。碳刷阳极BES的内阻（400Ω）明显低于碳棒阳极（500Ω）和碳纸阳极（700Ω）。低内阻允许更多的电子流向阴极，从而还原更多的贵金属离子。结果表明，碳刷是一种很有前途的电极材料，可用于BES去除贵金属。

能效分析

Fig. 5. Energy efficiency (a. anode and b. electrode area); (c) precious metal ions change in the cathode chamber (the initial concentration: Au, 100 mg L−1; Pt, 100 mg L−1; Pd, 100 mg L−1); (d) comparison of the energy efficiency of electrodeposition and BES.

三种BES对于回收每千克Au、Pt和Pd的能量效率为碳刷>碳棒>碳纸。碳刷作为阳极可以提高系统电压，促进细菌的活动。根据电化学活性表面积的分析，阴极表面用于还原Au离子的活性位点的数量与电极面积呈正相关。更多的活性位点的效果是更高的还原效率，它也促进了电子的转移。高电子转移率无疑会带来更高的生产率。以外接电源耦合的电解池为对照组，探索BES的优势。电解池施加的电压与BES自产电压相同，阳极为碳刷，阴极为碳片（0.6×6 cm2）。实验组的还原率较对照组平缓，但还原效率较高的对照组需要持续的能量消耗。实验组不仅在贵金属还原过程中不需要额外的能量，而且还不断产生能量。

氰化物处理分析

Fig. 6. Changes in the concentration of CN− (a) and OCl− (b) with time under different applied currents; (c) the curve of the concentration of precious metal ions in BES-EC with time under 20 mA cm−2.

通过使用MFC-EC耦合型BES系统对于废水中的氰化物和贵金属离子同时进行处理。这种新型的BES系统通过促使溶液中的氯离子变为次氯酸根离子实现氰化物的氧化降解，在此过程中释放的电子可以与贵金属离子结合，实现贵金属离子的还原回收。

小结

研究表明，BES系统可用于从重金属废水中回收有价金属（Au、Pt和Pd）并获得生物电。实验表明，BES系统对贵金属元素的去除率可达100%，回收效率可达93.3%。与电沉积相比，BES系统可以在处理和回收贵金属的同时回收电能。BES-EC耦合系统专为含有CN-和贵金属的实际混合废水而设计。证明贵金属废水中的氯离子在电化学催化下可实现氰离子的去除。