以废旧锂离子电池中Co(III)为电子受体的新型生物电化学系统研究

采用有效方法回收废旧锂离子电池中稀有金属Co(III)是人们关注热点。生物电化学系统(BioElectrochemical Systems，BESs)依靠电刺激和微生物协同作用还原污染物，但对Co(III)还原鲜有报道。基于废旧锂离子电池Co(III)处理与研究现状，结合BESs研究进展，本项目提出以废旧锂离子电池中Co(III)为电子受体的新型BESs研究。内容包括：在分别构建化学阴极和生物阴极BESs基础上，考察系统还原Co(III)效能，探讨制约产物Co或Co(II)产率和收率的关键因素；明晰BESs化学阴极与Co(III)、生物阴极与微生物及Co(III)间关系，总结Co(III)还原途径，阐明其电子传递机制。本研究工作的开展将不仅提出废旧锂离子电池Co(III)回收新方法，丰富和发展稀有金属回收技术，而且能拓展BESs应用领域和使用范围，完善其基础理论，具有重要理论和现实意义。

针对废旧锂离子电池中广泛存在的有价Co(III)的处理与回收现状，依据Co(III)回收转化过程的价态变化，通过构建多种新型生物电化学反应器及其耦合系统、使用不同类型/改性阴极材料及催化剂、驯化和筛选高性能电活性微生物等策略，系统开展了化学阴极微生物电解池(MEC)浸取Co(III)、化学阴极微生物燃料电池(MFC)浸取Co(III)、铜催化化学阴极MFC浸取Co(III)、化学阴极MEC还原Co(II)、生物阴极MEC还原Co(II)、生物阴极MFC制备Co(OH)2、电极改性MEC还原Co(II)、MFC浸取Co(III)耦合MEC还原Co(II)等过程研究；结合不同类型生物电化学反应器，重点剖析了影响钴收率和产率的pH效应、温度效应、钴酸锂粒度效应、外压/外阻效应、阴极工作体积效应、电活性微生物组成特性、以及不同阴极材料等因素，阐明了阴极电子供体与溶液H+对Co(III)浸取回收的协同作用以及Co(II)还原与析氢过程的竞争作用关系，明晰了电活性微生物表面的薄层电子传递机制，为实现清洁高效的金属钴回收技术提供了理论依据与保证。此外，依据Co(II)、Cu(II)与Li(I)共存于废旧锂离子电池废液的现实与各金属离子不同的电化学特性，利用MFCs与MECs的优势与互补，分别提出了化学阴极MFCs耦合化学阴极MECs、化学阴极MFCs耦合生物阴极MECs回收与分离o(II)、Cu(II)与Li(I)的自驱动系统，剖析了不同MECs阴极材料影响自驱动耦合系统回收Co(II)与Cu(II)效率的过程机制，而不同金属离子浓度的溶液化学组成是实现自驱动系统完全彻底地分离Co(II)、Cu(II)与Li(I)过程的重要方面。本项目研究结果不仅为清洁有效地回收废旧锂离子电池中有价金属提供了充分的理论依据和保证，而且还拓展了生物电化学系统的应用领域和范围，具有重要的理论和现实意义。