《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Research on the synergistic recovery of iron and electricity production performance in acidic mine drainage using fuel cells
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酸性矿井排水燃料电池系统开发及运行模式优化研究，基于电化学氧化原理实现Fe2?同步去除与能源回收，对比批次、循环、连续流三种模式，发现批次模式功率密度83.66mW/m2、去除率84.6%，循环模式持续15小时去除率超80%，连续模式电压稳定100mV，阳极沉淀物Fe(OH)?等可作为资源回收。
任昭聪|张月|姜金源|魏红丽|宋浩阳|谭伟|李亚军|史东妮|何磊|秦红科
中国环境科学研究院环境污染控制技术研究中心，北京 100012
摘要
全球废物管理面临严峻挑战，而酸性矿井排水（AMD）的资源化利用已成为解决环境污染和资源短缺问题的一个有前景的策略。本研究基于中国四川省某地区关闭煤矿和铁矿后产生的AMD，利用电化学氧化原理开发了一种AMD燃料电池系统（AMD-FC），实现了Fe2?去除和能量回收的双重目标，同时还能回收有价值的阳极沉淀物。通过一系列批次实验，研究了pH值、Fe2?浓度和离子强度对系统性能的影响。在优化条件下，进行了三种运行模式下的模拟AMD处理实验：批次处理、循环处理和连续流处理。结果表明，在最佳条件下，批次处理模式的功率密度达到83.66 mW/m2，Fe去除率为84.6%；循环处理模式持续发电15小时，去除率超过80%；连续流模式表现出约100 mV的稳定电压，去除率约为40%。主要阳极沉淀物为Fe(OH)?、FeOOH和Fe?O?，显示出良好的资源回收潜力。本研究提供了一种结合污染控制和资源利用的AMD处理可持续方法。
引言
采矿业在发达国家和发展中国家的经济中发挥着重要作用[1]。然而，采矿活动过程中产生的酸性矿井排水（AMD）已成为全球最严重的环境问题之一[2]。AMD通常含有大量的硫酸和铁、铜、铝、锰、镍等重金属。这些污染物对水生环境和土壤环境构成严重威胁，并对生态系统和人类健康造成长期影响[3]、[4]。
目前AMD的处理方法包括中和沉淀、吸附、离子交换、膜分离和生物工艺[5]。其中，石灰石中和法应用最为广泛，该方法的优点是原理简单、快速有效、金属离子易于沉淀且适用范围广；但也存在缺点，如需要添加化学药剂、会产生二次污染、无法将pH值提高到8以上从而导致某些金属无法去除[6]、[7]、容易结垢以及维护频繁。其他技术通常面临高运营和维护成本或管理复杂的挑战。燃料电池（FC）是一种将化学能转化为电能的电化学装置[8]、[9]，近年来受到了越来越多的关注。FC可以通过电化学反应高效地将燃料和氧化剂的化学能转化为可直接使用的电能[10]、[11]，被认为是低能耗、高效率且环保的废水处理技术，在污染治理和能源回收方面具有显著优势[12]、[13]、[14]、[15]。应用于含铁AMD处理时，燃料电池可以在不添加化学试剂的情况下去除Fe离子，同时产生电能并回收有价值的铁资源，为煤矿或金属矿的AMD处理提供了一种绿色可持续的途径。微生物燃料电池（MFC）作为一种新兴的绿色技术，特别值得关注，因为它们能够在处理废水的同时产生电能。MFC利用特定微生物将废水中的污染物转化为电能，实现了废水治理和能源回收的双重效益[16]、[17]。在AMD处理中，MFC在阳极使用硫酸盐还原菌（SRB）将硫酸盐转化为不溶性硫化物或单质硫，从而去除水中的硫酸盐和重金属离子。多项研究表明，MFC在去除富铁AMD中的Fe离子方面具有高效性。例如，Foudhaili等人[18]报告称使用MFC的铁去除率为94%，性能可与电凝聚法媲美，且运行时间显著更长。Velez-Perez等人[1]利用双室MFC系统同时处理AMD和市政废水，实现了最大体积功率密度为14,000 mW/m3，并有效去除重金属并部分中和AMD。在此基础上，Cheng等人[19]开发了一种AMD燃料电池（AMD-FC），在去除AMD中的Fe离子的同时产生电能。他们进一步研究了pH值、亚铁离子浓度和溶液化学性质对AMD-FC发电性能的影响。结果表明，在pH值为6.3的条件下，AMD在特定条件下可实现最大功率输出为290 mW/m2，库仑效率超过97%。目前，关于AMD燃料电池的研究仍有限，仍处于早期阶段。AMD的发电效率相对较低，受多种因素影响，且反应器规模通常较小，限制了大规模实际应用。因此，需要进一步研究AMD-FC，以实现有效的连续Fe去除和能量生产，并提高其在实际废水处理应用中的整体性能。
本研究探讨了系统在Fe去除和能量回收方面的最佳运行模式，旨在提高系统的处理效率和经济效益。通过分析影响AMD-FC系统性能的关键因素，并评估其在三种运行模式（间歇运行、循环运行和连续运行）下的处理效果和发电性能，本研究旨在探究AMD-FC系统在这三种模式下处理模拟酸性矿井排水的机制，为后续的优化设计提供依据。
材料与方法
基于AMD-FC反应示意图（见图1），本研究采用了一种双室空气-金属-阳极燃料电池（AMD-FC）反应器。电极反应和整体反应分别见（1）、（2）、（3）。该反应器设计简单且具有成本优势。阳极室和阴极室均采用亚克力玻璃制成，由质子交换膜（Nafion@117）隔开。阳极电极由碳布制成，阴极电极由镀铂碳制成
气体注入对AMD-FC性能的影响
由于Fe2?离子容易被空气氧化，因此向AMD中注入CO?和N?以去除溶解氧，并将其与不注入气体的情况进行比较，以探讨气体注入对AMD-FC系统性能的影响。
如图5所示，气体注入显著提高了AMD-FC的电化学性能。开路电压保持相对稳定，但在接下来的15小时内，阳极室中的Fe2?逐渐被氧化
结论
本研究基于酸性矿井排水（AMD）中高Fe2?浓度的特点，构建了一种酸性矿井排水燃料电池（AMD-FC）系统，实现了污染控制和能量回收的双重目标。系统研究了操作参数和模式对发电性能和Fe2?去除效果的影响，揭示了AMD-FC的运行机制和资源回收潜力。主要结论如下：
作者贡献声明
姜金源：撰写 – 审稿与编辑，监督。
张月：撰写 – 审稿与编辑。
任昭聪：撰写 – 初稿撰写，可视化处理，验证，方法学设计。
秦红科：撰写 – 审稿与编辑。
何磊：撰写 – 审稿与编辑。
史东妮：撰写 – 审稿与编辑。
李亚军：撰写 – 审稿与编辑。
谭伟：撰写 – 审稿与编辑。
宋浩阳：撰写 – 审稿与编辑。
李红：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
