專利名稱：從水中去除金屬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及凈化水。特別是，本發(fā)明涉及在犧牲還原劑如脲、氨或其組合存在下從水中除去金屬離子的有效的電解法。
背景技術(shù)：
氨、脲和金屬是通常存在于來(lái)自不同來(lái)源例如工業(yè)、牲畜、船舶、濕法冶金、電子技術(shù)等的廢水中的物質(zhì)。存在容許分別除去這些物質(zhì)的不同的方法，包括例如化學(xué)沉淀、離子交換、反滲透、表面粘土過(guò)濾、電解沉積、電滲析、氣提/蒸汽汽提、無(wú)氧生物氧化/硝化作用和折點(diǎn)氯化處理。然而，這些方法中沒(méi)有提供能同時(shí)進(jìn)行上述物質(zhì)去除的能力。此外，不能有效地實(shí)現(xiàn)要求的規(guī)定限值或要求的低水平。例如，可將電解沉積用來(lái)除去在水溶液中的金屬離子。雖然電解沉積能回收90% 到95%的可獲得的金屬離子，已知其僅在高金屬離子濃度條件下進(jìn)行有效。例如，當(dāng)金屬離子的濃度降低到較低的濃度如約500mg/L(百萬(wàn)分之幾或ppm)或更少，必須使用更高的電壓和/或電流密度。在這些低濃度條件下，過(guò)量的電能轉(zhuǎn)向在陰極產(chǎn)生氫，這從而與金屬的還原形成競(jìng)爭(zhēng)。此外，由產(chǎn)生氫消耗大量的能量。同樣地，由于即將到來(lái)的由管理機(jī)構(gòu)如 Environmental Protection Agency所要求的低含量，該方法變得越來(lái)越不那么有效。此外，可將無(wú)氧生物氧化用來(lái)去除氨。然而，這些方法要求嚴(yán)格的PH控制以保持細(xì)菌存活且要求長(zhǎng)的保留時(shí)間。此外，這些方法還未顯示出適用于從廢水中去除金屬?？蓪B透作用用于將水濾去雜質(zhì)，但其未最終去除雜質(zhì)而僅僅是將它們濃縮。此夕卜，通過(guò)該方法去除氨要求昂貴的薄膜和高壓力。因此，仍存在著對(duì)于用于從廢水中除去金屬以及脲和/或氨的有效的和同時(shí)的方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明前提在于完成能有效地實(shí)現(xiàn)從廢水中同時(shí)去除多種雜質(zhì)以提供清潔的水。更具體地，本發(fā)明的前體在于完成能采用電解電池通過(guò)電解從廢水中有效地去除金屬離子和犧牲還原劑如脲和/或氨。 根據(jù)本發(fā)明，提供了凈化水的方法。該方法包括施加電壓至包含陽(yáng)極、陰極和具有約11或更少的PH值的堿性電解液組合物的電解電池。該堿性電解液組合物包含至少一種待還原的金屬離子和犧牲還原劑。此外，將電壓施加到陰極和陽(yáng)極上，該電壓足以還原至少一種金屬離子以在陰極形成至少一種未化合的金屬物質(zhì)以及以在陽(yáng)極氧化犧牲還原劑，以及其中電壓為小于傾向于在陰極產(chǎn)生大量氫和/或在陽(yáng)極產(chǎn)生大量氧所需的值。


本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將參照以下詳細(xì)說(shuō)明和實(shí)施例進(jìn)一步理解，其中圖1是配置用于分批處理的簡(jiǎn)化的電解電池的示意圖；圖2是在圖1所示的電解電池中的陰極的剖視圖；和圖3是配置用于流動(dòng)電池工藝的簡(jiǎn)化的電解電池的示意具體實(shí)施例方式圖1是配置用于分批處理以實(shí)現(xiàn)金屬離子和犧牲還原劑如脲和/或氨的同時(shí)去除的簡(jiǎn)化的電解電池10的示意圖。表示單個(gè)分批式布置的簡(jiǎn)化電解電池10包括槽12，槽12 可由薄鐵、鋼或其他不受堿性電解液組合物13侵蝕的材料制得。將包含陽(yáng)極14和陰極16 的電極組件懸吊在包含在槽2中的堿性電解液組合物13中，該堿性電解液組合物13可由通過(guò)電機(jī)20旋轉(zhuǎn)的攪拌器19攪動(dòng)或攪拌。在單個(gè)分批式布置中，如下所述，該堿性電解液組合物13包括至少一種金屬離子物質(zhì)以及有效量的犧牲還原劑如脲和/或氨。陽(yáng)極14和陰極16電連接到電壓電源18，該電壓電源18提供電能用于同時(shí)還原存在于堿性電解液組合物13的至少一種金屬離子物質(zhì)和氧化犧牲還原劑如脲和/或氨。將對(duì)本領(lǐng)域的普通熟練技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是上述電池容易地適用于連續(xù)流動(dòng)電池配置，該連續(xù)流動(dòng)電池配置示意在圖3中且在下文進(jìn)一步描述。而且可理解的是可將多個(gè)電解電池組合使用，或者串聯(lián)配置、并聯(lián)配置或其組合。本發(fā)明的具體實(shí)施方案發(fā)現(xiàn)了它們?cè)趶乃腥コ饘俸蜖奚€原劑如氨和/或脲的應(yīng)用。廢水可高效地被凈化，而且達(dá)到滿足對(duì)于排放凈化后的水到環(huán)境的規(guī)定限值。進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)理解本方法可用于在不同的工業(yè)工藝中回收金屬。在本發(fā)明中，將金屬離子通過(guò)將還原陽(yáng)離子金屬物質(zhì)(即氧化的金屬)成元素形式的金屬而去除，該還原在陰極16上發(fā)生，符合如下一般方程式方程式1 :M+x+x f — M其中χ是表示金屬(M)的氧化態(tài)的整數(shù)。隨著金屬離子在陰極16轉(zhuǎn)化為元素形式，元素金屬沉積在陰極16上。根據(jù)本發(fā)明，廢水包含陽(yáng)離子形式的金屬(即金屬的氧化形式)。例如，但不局限地，適用于對(duì)廢水電化學(xué)凈化的本發(fā)明的方法的金屬包括鋅、鉻、鉭、鎵、鐵、鎘、銦、鉈、鈷、 鎳、錫、鉛、銅、鉍、銀、汞、鉻、鈮、釩、錳、鋁及其組合。因此，適當(dāng)?shù)乇粡暮畼悠分腥コ囊环N金屬包括鎳。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，廢水可包括從約500pm和更低的金屬濃度。例如，從約250ppm和更低，從約IOOppm和更低或從約50ppm和更低。此外，由上述廢水樣品獲得的凈化的水可具有足夠低的金屬濃度以容許直接排放到環(huán)境而不需要進(jìn)一步的處理。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，廢水可包含犧牲還原劑如脲或氨，該犧牲還原劑有效地降低電解電池的電化學(xué)電位。廢水可包含大量的犧牲還原劑如來(lái)自尿的脲或氨，其將因此容許隨脲和/或氨一起同時(shí)去除一種或多種廢棄金屬。當(dāng)由熟練技術(shù)人員理解的是其他犧牲還原劑如乙醇或甲醇也可適于本發(fā)明的具體實(shí)施方案。電極(即陽(yáng)極14和陰極16)可分別包含涂有更活性的導(dǎo)電組分的導(dǎo)體或載體。 陰極16的導(dǎo)電組分不具體限定為任何導(dǎo)體物質(zhì)，但該導(dǎo)電組分當(dāng)包含在上面可沉積金屬的基材。例如，陰極16的導(dǎo)電組分可包含碳如碳纖維、碳紙、玻璃碳、碳納米纖維、碳納米管等；或?qū)щ娊饘偃玮?、銅、銥、鐵、鎳、鉬、鈀、釕、銠及其混合物和其合金。因此，如圖2所示，示例性的陰極16顯示了已經(jīng)涂有活性導(dǎo)電組分層22的底層載體材料沈，其中活性導(dǎo)電組分22與電解沉積還原的廢棄金屬能兼容。沉積的廢棄金屬層 24在活性導(dǎo)電組分層22上形成以提供凈化水。此外，金屬沉積速率與有效表面面積相關(guān)。因而，通常優(yōu)選大的表面面積基材。陰極基材當(dāng)能經(jīng)受堿性條件。基材的實(shí)例包括導(dǎo)電金屬、碳纖維、碳紙、玻璃碳、碳納米纖維、 碳納米管等。例如，該陰極基材的導(dǎo)電金屬可以是鈷、銅、銥、鐵、鎳、鉬、鈀、釕、銠及其混合物和其合金。在另一個(gè)實(shí)施例中，該陰極16包括鉬，例如沉積到碳紙上的鉬。在本發(fā)明中，犧牲還原劑的氧化在堿性電解液組合物或介質(zhì)中的陽(yáng)極14的導(dǎo)電組分處發(fā)生。示例性的犧牲還原劑脲和氨在堿性電解質(zhì)介質(zhì)中的陽(yáng)極14的導(dǎo)電組分處根據(jù)以下方程式氧化方程式2 :2NH3+60r — N2+6H20+6e"(-0· 77V vs. SHE)方程式3 :C0 (NH2) 2+60r — N2+5H20+C02+6e" (_0. 034V vs. SHE)因此，陽(yáng)極14的導(dǎo)電組分可以是對(duì)吸附和氧化犧牲還原劑脲和/或氨具有活性的一種或多種金屬。例如，對(duì)氨的氧化具有活性的一種或多種金屬包括公開(kāi)在共同轉(zhuǎn)讓的第7485211 號(hào)美國(guó)專利的金屬，該專利全部并入本文。進(jìn)一步舉例，氨的去除可以包括鉬、銥、釕、銠及其組合的導(dǎo)電組分進(jìn)行。該導(dǎo)電組分可作為合金和/或分層共沉積。另外，對(duì)脲的氧化具有活性的金屬包括公開(kāi)在共同轉(zhuǎn)讓的第2009/0095636號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)中的金屬，其全部?jī)?nèi)容并入本文。例如，脲的去除可以包括過(guò)渡金屬如鎳； 或貴金屬如鉬、銥、釕、銠及其組合的導(dǎo)電組分進(jìn)行。對(duì)于脲的氧化尤其有效的金屬包括鎳和其他過(guò)渡金屬。金屬可作為合金和/或分層共沉積。此外，活性金屬可以是以氧化形式如鎳氫氧化物。此外，對(duì)氧化乙醇和甲醇具有活性的金屬包括公開(kāi)在共同轉(zhuǎn)讓的第2008/0318097 號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)的金屬，其全部?jī)?nèi)容并入本文。例如但不限于，陽(yáng)極14可包括電沉積到碳載體如碳纖維、碳紙、玻璃碳、碳納米纖維或碳納米管上的鎳或形成珠子并懸浮在鎳網(wǎng)中的鎳。發(fā)現(xiàn)對(duì)脲的氧化有利的一種電極是活化鎳氫氧化物改性的鎳電極(NOMN)。例如， NOMN電極可包含采用Watts浴以Ni電鍍的金屬基材(Ni薄片、Ni網(wǎng)、Ti薄片和Ti網(wǎng))。 具體地，鍍層的鎳電極可通過(guò)浸漬于在33°C的包含硫酸鎳、醋酸鈉和氫氧化鈉的溶液而活化。不銹鋼可用作反電極。鍍層的鎳電極可通過(guò)以6. 25A/m2手動(dòng)極性切換四個(gè)1分鐘循環(huán)和兩個(gè)2分鐘循環(huán)而用作陽(yáng)極和陰極。最終，電極可以相同的電流保持作為陽(yáng)極并保持在此兩小時(shí)?；罨姌O產(chǎn)生高于M/Ni的電流密度，其中M表示金屬基材。盡管具有大表面積的陽(yáng)極是有利的，陽(yáng)極14的結(jié)構(gòu)不局限于任何具體的形狀或形式。例如，該導(dǎo)電組分可形成為薄片、線、網(wǎng)、珠或者涂覆到載體上。合適的陽(yáng)極14載體材料可選自許多已知的載體如例如薄片、網(wǎng)格和海綿。該載體材料可包括但不限于M薄片、 Ti薄片、碳纖維、碳紙、玻璃碳、碳納米纖維和碳納米管。除了所列的這些具體的載體材料， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其他合適的載體。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，將堿性電解液組合物13用于該工藝。該堿性電解液組合物13可包含任何合適的氫氧化物鹽?？墒褂脡A金屬氫氧化物或堿土金屬氫氧化物鹽， 如氫氧化鋰、氫氧化銣、氫氧化銫、氫氧化鋇、氫氧化鍶、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鎂、氫氧化鈣及其混合物。特別是，該堿性電解液組合物13包括氫氧化鉀。此外，如圖1所示，該堿性電解液組合物13可以是溶液。因此，氫氧化物的濃度應(yīng)當(dāng)足夠低以避免要去除的目標(biāo)金屬的金屬氫氧化物形式的沉積。因此，用于具體體系的氫氧化物的濃度可由考慮的金屬氫氧化物的溶解度積估計(jì)。通常，在根據(jù)本發(fā)明的金屬電解去除期間，不推薦高于0. 2M的氫氧化物的濃度。例如，為了避免沉積上面所列的許多金屬離子的金屬氫氧化物形式，PH值有利地為約11或以下。作為另一個(gè)實(shí)例，pH可具有在約8 到約11范圍內(nèi)的值，或者在約9到約10范圍內(nèi)。在替代的具體實(shí)施方案中，該堿性電解液組合物可包含凝膠，如固相聚合物電解質(zhì)。合適的堿性電解凝膠包括例如那些包含聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、磺化-聚合物以及類似的聚合物和共聚物的凝膠。堿性的電解凝膠可采用任何合適的方法制備。一種方法包括形成聚合物，然后將氫氧化物鹽電解液注入聚合物形成堿性電解液凝膠或聚合混合物。在另一個(gè)方法中，單體可在氫氧化物鹽電解液存在下聚合。盡管在圖1中未顯示，可將隔離物用來(lái)隔開(kāi)陽(yáng)極14和陰極16。隔離物應(yīng)當(dāng)由化學(xué)上對(duì)堿性電解液組合物13有化學(xué)耐受性的材料構(gòu)成。因此，很多聚合物適于構(gòu)造隔離物， 如Teflon. 和聚丙烯。此外，隔離物可包含堿性電解凝膠。盡管對(duì)于簡(jiǎn)單的分批式配置而言不需要隔離物，隔離物可證實(shí)對(duì)于連續(xù)流動(dòng)電化學(xué)電池是有利的，如下文將論述的。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施方案，流動(dòng)電池配置顯示在圖3中，其提供了用于從廢水中同時(shí)去除金屬離子以及脲和/或氨的簡(jiǎn)化的電解電池30的示意圖。表示流動(dòng)電池配置的簡(jiǎn)化的電解電池30包含外殼32，外殼32可由薄鐵、鋼或在堿性介質(zhì)中是穩(wěn)定的其它材料制得。包含陽(yáng)極；34和陰極36的電極組件在外殼32內(nèi)。在該流動(dòng)電池配置中，陽(yáng)極34 和陰極36通過(guò)隔離物39分開(kāi)。進(jìn)入口 31容許引入包含至少一種金屬離子物質(zhì)、以及有效量的犧牲還原劑如脲和/或氨的廢水。相反地，若廢水不包含或包含不足量的犧牲還原劑， 可將包含需要濃度的犧牲還原劑如乙醇、甲醇、脲、氨及其組合的第二溶液?jiǎn)为?dú)通過(guò)進(jìn)入口 33加入以容許在入口接合41與廢水混合。陽(yáng)極34和陰極36電連接到電壓電源38，電壓電源38提供用于在陰極36還原至少一種金屬離子物質(zhì)以及在陽(yáng)極34氧化包含在溶液35 中的犧牲還原劑的電能。凈化水通過(guò)出口 37離開(kāi)電解電池30的流動(dòng)電池配置。根據(jù)一種配置，可在引入電解電池30之前將廢水的PH值調(diào)節(jié)到要求的范圍。根據(jù)另一種配置，可將廢水的PH在引入到電解電池30的同時(shí)調(diào)節(jié)，例如通過(guò)單獨(dú)的氫氧化物鹽的溶液。因此，在一個(gè)具體實(shí)施方案中，單獨(dú)的氫氧化物鹽的溶液還可包含犧牲還原劑如脲和/或氨溶液。根據(jù)另一個(gè)具體實(shí)施方案，陽(yáng)極34可以涂覆有堿性電解凝膠。電解電池如10和30可以在不同范圍的溫度和壓力下運(yùn)行。運(yùn)行壓力可以是為大約大氣壓或環(huán)境壓力，除了反應(yīng)容器的物理限度外沒(méi)有壓力上限。工作溫度范圍可以在廢水的大約凝固點(diǎn)至大約100°c，并且與電解電池的運(yùn)行壓力有關(guān)。在一個(gè)大氣壓的壓力下， 保持運(yùn)行溫度在大約80°c或更小是實(shí)際的，因?yàn)樵诟叩臏囟认码y以保持氨在溶液中。例如，可接受的運(yùn)行溫度可在約0°C到約80°C的范圍內(nèi)；或從約20°C到約65°C。更具體地，在從約20°C到約30°C范圍內(nèi)的運(yùn)行溫度是尤其有用的。本發(fā)明不局限于電力的任何具體來(lái)源。即，電力可由可再生能源風(fēng)、太陽(yáng)等、儲(chǔ)存來(lái)源(電池)以及常規(guī)的電力網(wǎng)發(fā)電提供。但是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，施加到電化電池10的陽(yáng)極14和陰極16的電壓差被保持在這樣的值提供用于廢棄金屬離子的還原，同時(shí)避免在陰極大量產(chǎn)生氫或者在陽(yáng)極大量產(chǎn)生氧。如本文所用的，產(chǎn)生“大量”氫和產(chǎn)生“大量”氧指的是小于約20%的電能由產(chǎn)生氫和/或氧消耗。換言之，約80%或以上的施加電壓消耗用于除去廢棄金屬離子。 例如，在一個(gè)具體實(shí)施方案，小于約10%的電能由產(chǎn)生氫和/或氧消耗。在又一個(gè)具體實(shí)施方案中，小于約5%的電能由產(chǎn)生氫和/或氧消耗。在又一個(gè)具體實(shí)施方案中，小于約3% 的電能由產(chǎn)生氫和/或氧消耗。在一個(gè)示例性的具體實(shí)施方案中，施加到陽(yáng)極14和陰極16 上的電壓在陰極不產(chǎn)生氫。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，施加到單個(gè)電解電池的陽(yáng)極14和陰極16上的電壓差可保持在約1.1伏或更低的電壓。在另一個(gè)示例性的具體實(shí)施方案中，單電池電壓差可以為在約0. 01伏到約1. 1伏之間的值。在又一個(gè)具體實(shí)施方案中，單電池電壓可為在約 0.2伏到約0.9伏之間的值。因此，根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，從廢水中去除氨和廢棄金屬可通過(guò)同時(shí)將廢水與電化電池10的陽(yáng)極14和陰極16 (如圖1所示)或者電化電池30的陽(yáng)極34和陰極36 接觸而實(shí)現(xiàn)。在電化電池(10或30)的陽(yáng)極(14或34)，在堿性介質(zhì)中的氨的電子氧化根據(jù)如上所述的方程式2進(jìn)行，而在電化電池(10或30)的陰極(16或36)，廢棄金屬物質(zhì)的還原根據(jù)方程式1發(fā)生，從而將還原的廢棄金屬沉積到陰極(16或36)，如圖2中的剖視圖所
7J\ ο將由電化學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員易于理解的是在陰極(16或36)的反應(yīng)以及施加的電壓取決于存在于溶液中的金屬和/或多種金屬。同時(shí)去除幾種廢棄金屬可通過(guò)在以最高的還原電勢(shì)還原金屬所必須的電壓下運(yùn)行該電池而實(shí)現(xiàn)。此外，將理解的是在陽(yáng)極被氧化的犧牲還原劑如氨的存在容許施加到電化電池 (10或30)的電壓保持在這樣的值其中在陰極(16或36)不發(fā)生產(chǎn)生大量氫，在陽(yáng)極(14 或34)不發(fā)生產(chǎn)生大量氧。例如，廢棄金屬如鋅、鉻、鉭、鎵、鐵、鎘、銦、鉈、鈷、鎳、錫、鉛、鉻、 鈮、釩、錳、鋁及其組合可采用保持不高于約1. IV的電池電壓除去。類似于上面對(duì)于氨所描述的，脲和廢棄金屬?gòu)膹U水中同時(shí)去除可通過(guò)同時(shí)將廢水與電化電池10的陽(yáng)極14和陰極16 (如圖1所示)或者電化電池30的陽(yáng)極34和陰極36 接觸而實(shí)現(xiàn)。在電化電池(10或30)的陽(yáng)極(14或34)，在堿性介質(zhì)中脲的電氧化根據(jù)如上所述的方程式3進(jìn)行，而在電化電池(10或30)的陰極(16或36)，廢棄金屬物質(zhì)的還原根據(jù)方程式1進(jìn)行，從而在陰極(16或36)沉積還原的廢棄金屬。此外，當(dāng)理解的是在陽(yáng)極被氧化的脲的存在容許施加到電化電池(10或30)的電壓保持在這樣的值在陰極(16或36)不發(fā)生氫的還原以及不在陽(yáng)極(14或34)產(chǎn)生氧。 例如，廢棄金屬如鋅、鉻、鉭、鎵、鐵、鎘、銦、鉈、鈷、鎳、錫、鉛、銅、鉍、銀、汞及其組合可使用保持不高于約1. IV的電池電壓除去。根據(jù)上述說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)的是公開(kāi)的電解法提供通過(guò)改變電化電池(10或 30)的陽(yáng)極(14或34)以促進(jìn)脲和氨的氧化來(lái)同時(shí)去除廢棄金屬、氨和脲。本發(fā)明將參照以下實(shí)施例進(jìn)一步理解。實(shí)施例構(gòu)造電化電池以從合成的廢液中去除氨和鎳。合成的廢液通過(guò)以合適的量在去離子水中混合鎳(II)硫酸鹽、硫酸銨和氫氧化鉀以制備具有以下組成的250毫升的溶液而制備=Ni (II) = 31. 25ppm(mg/l)，NH3 = 0. 05M 和 KOH = 0. 05M。通過(guò) pH 計(jì)測(cè)量，合成的廢液 PH值為10。電池的陽(yáng)極由沉積到碳紙OcmX2cm)上的鉬構(gòu)造，而電池的陰極為鎳薄片Qcm χ 4cm)。電化電池在25°C下運(yùn)行，同時(shí)采用大氣壓和0.9V的恒壓。在電池的運(yùn)行期間，觀察到IOmA的恒定電流。在1小時(shí)后，Img的鎳金屬沉積在電池的陰極，根據(jù)法拉第定律計(jì)算對(duì)于鎳的沉積[Ni (II)+2e_ —Ni(O)]效率為約100%。通過(guò)掃描電子顯微鏡和X-射線衍射對(duì)電池的陰極進(jìn)行分析證實(shí)鎳的沉積。盡管本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)其一個(gè)或多個(gè)具體實(shí)施方案的描述而舉例說(shuō)明，以及盡管具體實(shí)施方案已經(jīng)非常詳細(xì)地描述，它們并非旨在約束或以任何方式限制所附的權(quán)利要求的范圍到這樣的細(xì)節(jié)。另外的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)將對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。以其較寬范圍的發(fā)明因此不局限于顯示和描述的具體的細(xì)節(jié)、代表性的產(chǎn)品和方法以及示例性的實(shí)例。因此，變更可在不偏離總的發(fā)明構(gòu)思的范圍的情況下由這樣的細(xì)節(jié)作出。
權(quán)利要求
1.一種凈化水的方法，所述方法包括施加電壓到電解電池，該電解電池包含具有第一導(dǎo)電組分的陰極、具有第二導(dǎo)電組分的陽(yáng)極以及與該陽(yáng)極和該陰極電連通的堿性電解液組合物，其中所述堿性電解液組合物具有約11或低于11的PH值，以及其中所述堿性電解液組合物包括至少一種要被還原的廢棄金屬離子和犧牲還原劑，其中將電壓施加到所述陰極和所述陽(yáng)極上，該電壓足以還原所述至少一種廢棄金屬離子以在所述陰極形成至少一種元素金屬物質(zhì)以及在所述陽(yáng)極氧化所述犧牲還原劑，以及其中該電壓小于使得在所述陰極產(chǎn)生大量氫和/或在所述陽(yáng)極產(chǎn)生大量氧所需要的值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述犧牲還原劑選自于脲、氨、乙醇、甲醇及其組合。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述犧牲還原劑是脲、氨或其組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一導(dǎo)電組分和所述第二導(dǎo)電組分可以相同或不同，并且所述第一導(dǎo)電組分和所述第二導(dǎo)電組分選自于鈷、銅、鐵、鎳、鉬、銥、釕、銠及其混合物以及其合金。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一導(dǎo)電組分是鎳以及所述第二導(dǎo)電組分是鉬。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陽(yáng)極還包含載體材料，該載體材料至少部分涂有一種或多種金屬、金屬混合物或合金的層。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿性電解液組合物還包含氫氧化物鹽。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述氫氧化物鹽選自于氫氧化鋰、氫氧化銣、氫氧化銫、氫氧化鋇、氫氧化鍶、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鎂、氫氧化鈣及其混合物。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述氫氧化物鹽是氫氧化鉀。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿性電解液組合物是聚合物凝膠。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述聚合物凝膠包括聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、磺化-聚合物或其組合。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述廢棄金屬離子是選自于鋅、鉻、鉭、鎵、鐵、鎘、 銦、鉈、鈷、鎳、錫、鉛、銅、鉍、銀、汞、金、鉻、鈮、釩、錳、鋁及其組合的金屬的陽(yáng)離子。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿性電解液組合物具有約8到約11的pH范圍。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿性電解液組合物具有約9到約10的pH范圍。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電解電池在從約0°C到約80°C的范圍的溫度下運(yùn)行。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電解電池在從約20°C到約65°C的溫度下運(yùn)行。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電解電池在從約20°C到約30°C的溫度下運(yùn)行。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電壓差是具有約1.1伏特或低于1. 1伏特的值的單電池電壓。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電壓差是具有在從約0.01伏特到約1. 1伏特范圍的值的單電池電壓。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在陰極和陽(yáng)極上的電壓差的值被保持為小于使得在陰極產(chǎn)生任何氫和/或在陽(yáng)極產(chǎn)生任何氧所需要的電壓。
全文摘要
提供了一種凈化水的方法，該方法包括施加電壓到包括陽(yáng)極(14)、陰極(16)和具有約(11)或更少的pH值的堿性電解液組合物的電解電池(10)。該堿性電解液組合物(13)包含至少一種要還原的廢棄金屬離子和要還原的犧牲還原劑如脲、氨或其組合。根據(jù)該公開(kāi)的方法，電壓施加到陰極(16)和陽(yáng)極(14)上，且該電壓足以還原至少一種廢棄金屬離子以在陰極(16)形成至少一種元素金屬物質(zhì)，以及在陽(yáng)極(14)氧化犧牲還原劑。此外，施加的電壓不使得在陰極(16)產(chǎn)生氫和/或在陽(yáng)極(14)產(chǎn)生氧。
文檔編號(hào)C02F1/461GK102482124SQ201080024744
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者杰拉爾迪恩·G·博特 申請(qǐng)人:俄亥俄州立大學(xué)