废水中硫酸盐向单质硫定向转化的耦合机制与系统调控

高浓度硫酸盐废水可造成严重的环境污染，对于该类废水最有效的处理方法是将其中的硫元素予以回收从而彻底解决其污染问题。研究高效率、低能耗的硫酸盐脱除技术与工艺，同时将其中的硫元素回收利用，将会产生积极的社会、环境及经济效益。本课题拟研究一种可控的两级耦合脱硫系统，用于从含硫酸盐废水中回收单质硫。利用硫酸盐还原细菌将硫酸盐还原成为硫化物，硫化物通过自发电化学氧化成为单质硫，从而完成由硫酸盐向单质硫的定向转化。本课题将从不同角度和层面对系统脱硫过程中的转化技术和内在规律进行深入研究。探讨通过微生物种群的调控、电极材料的强化、电化学反应条件的控制、系统运行参数的优化等手段，实现硫酸盐还原菌群的协调发展以及硫化物氧化的定向进行，从而最大限度地将硫酸盐转化成可回收的单质硫。本项目的研究将为硫酸盐废水资源化新技术的应用提供理论依据和技术指导。

在硫酸盐还原反应器中实现了硫酸盐向硫化氢的高效转化，获得了具有较高硫酸盐还原能力的微生物菌群，并对硫酸盐还原菌的生理功能和代谢能力进行了解析。研究了硫酸盐还原反应器出水中的有机酸物质在空气阴极燃料电池中的电化学氧化过程，获得了燃料电池中有机酸降解产电的动力学方程，基本阐明了有机酸对硫化物电化学氧化的影响方式。.将空气阴极燃料电池与络合铁工艺相集成，研发了耦合脱硫新系统，在常温下实现了由硫化物直接回收单质硫和电能，从而发展了含硫废弃物资源化处理的新方法。该系统主要由两部分构成，在硫氧化反应器中硫化物被Fe(III)定向氧化为单质硫，同时Fe(III)被还原成Fe(II)；在燃料电池中，Fe(II)通过自发电化学氧化重新成为Fe(III)并同步产生电能。深入研究了铁基催化剂在空气阴极燃料电池中的转化规律，比较了NTA、EDTA等常用络合剂存在下的燃料电池运行状况，初步阐明了络合剂对燃料电池中Fe(II)氧化产电的影响作用，并在此基础上建立了加入EDTA络合剂的强化脱硫新策略，实现了单质硫和电能的高效回收。.建立了用于描述空气阴极燃料电池中Fe(II)电化学氧化速率的动力学模型，该模型能够准确预测微摩尔级别Fe(II)氧化的伪一级动力学行为。基于该模型，各含铁物种在氧化过程中的作用得到阐明，控制Fe(II)氧化速率的关键物种得到揭示。该模型同时定量地描述了电压、pH等系统参数对氧化过程的影响，为铁基燃料电池的系统调控提供了有力的理论依据。该模型首次揭示了外电压对Fe(II)的氧化动力学的影响机制，提示可以采取提高燃料电池空气阴极效率的方式加速Fe(II)的氧化，从而提高铁基燃料电池的效率。该模型同时阐明了碳酸盐对Fe(II)燃料电池的促进机制，揭示其主要通过形成FeCO30 和Fe(CO3)22-等具有高动力学活性的物种而提高Fe(II)的氧化速率。. 系统地研究了铁基燃料电池的运行稳定性，证实产物α-FeO(OH)会沉积或者吸附在电极表面形成污染层；同时α-FeO(OH)还会进入PEM膜内部并破坏膜结构，引起PEM功能的不可逆损失。深入研究了电极污染和膜污染的机理以及对电池能量输入的影响，证实α-FeO(OH造成的膜污染是电池性能下降的主要因素。