一、技术背景

重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。重金属(如含镉、镍、汞、锌等)废水是对一环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一，其水质水量与生产工艺有关。

重金属污染主要有以下特点：

1、天然水体中的重金属浓度虽低，但其毒性长期持续。水体中某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属有机化合物。

2、生物富集浓缩，构成食物链，危机人类。生物从环境中摄取重金属，并在体内或某些器官中富集，其富集倍数可高达成千上万倍，水生动植物、陆生农作物都有这种现象。然后作为食物进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来构成慢性中毒，严重危害人体健康。

3、重金属无论用何种处理方法或微生物都不可能降解，只会改变其化合价和化合物种类。天然水体中OH-、Cl-、SO42-、NH4+有机酸、氨基酸、腐植酸等，都可以同重金属生成各种络合物或螯合物，使重金属在水中的浓度增大，也可能使沉入水中的重金属又释放出来而迁移。

4、在天然水体中只要有微量重金属，即可产生毒性反应，一般重金属产生毒性的范围大约在1.0～10mg/L之间，毒性较强的重金属如汞、镉等毒性浓度范围在0.001～0.1mg/L等等。

目前工业上对重金属高浓度重金属污水处理方法中，由于重金属污水处理装置的处理能力问题，不能对高浓度重金属废水有良好的处理效果，因此大部分情况下都会在重金属废水处理装置之前增加稀释工艺环节。然而，这一工艺环节增加了大量的能耗。

因此，针对现有技术中存在的能耗过高问题，迫切需要开发出一套在工业废水处理工艺中与现有流程衔接顺畅、能量提取率高和操作简便的电能产生装置，以及降低整套工艺中能耗并从重金属废水中获得电能的方法。

二、技术原理

本技术研究成功开发了一种新颖的高浓度重金属废水处理过程中电能提取方法和装置，从而解决了现有技术中存在的问题。

本技术包括以下步骤：

1、将重金属废水控制阀打开，使得重金属废水流入“电容混合”槽，到达指定液位时，关闭重金属废水控制阀，停止向“电容混合”槽中注入重金属废水；

2、在“电容混合”槽中，重金属离子向电极处富集，在电极之间产生电势差，电极之间用导线与储电装置连通；

3、当电极间的电势差稳定时，“电容混合”槽中的重金属废水排出通向稀释后废水储存槽，同时，打开稀释用清水控制阀，向“电容混合”槽中注入清水；

4、由于清水的注入，“电容混合”槽中重金属离子浓度发生变化，重金属离子在电极之间又重新发生迁移，形成新的平衡，从而在电极之间形成新的电势差，继续向储电装置中储能；

5、一段时间后，将“电容混合”槽中的混合液排出到稀释后废水储存槽，同时打开重金属废水控制阀，向“电容混合”槽中注入重金属废水，开启新一轮工作。

本技术提供了一种高浓度重金属废水处理过程中电能提取装置，该装置包括：重金属废水池、稀释用清水池、重金属废水控制阀、稀释用清水控制阀、“电容混合”槽、参考电极、高电势工作电极、低电势工作电极、储电装置、稀释后废水储存槽。

其中，高电势工作电极通过物理或络合的作用吸附重金属离子，低电势工作电极吸附其它离子。

工作电极一般采用多孔的导电材料制成，孔径处于微米级，在电极微孔表面上引入不同类型的官能团优化电极在重金属废水中的电化学性能，电极材料一般常用的有活性炭、石墨烯等。应用中试现场如图1所示。

图1 高浓度重金属废水预处理及节能储电技术中试现场

三、应用影响

研发人员经过广泛而深入的研究后发现，在现有技术中的在重金属废水处理装置之前增加的稀释工艺环节中，高浓度重金属废水的离子有一个向稀释清水中迁移的过程，利用“电容混合”技术可以在这一过程中获得相应的电能，从而实现在重金属废水处理过程中降低能耗的目的。

为实现电能提取工艺，本技术采用“电容混合”的原理，与原有工艺中存在的稀释环节相联合，从稀释过程中重金属离子的迁移作用中获得电能。重金属废水和稀释用清水交替进入“电容混合”槽，在“电容混合”槽中，工作电极之间产生电势差，开始向储电装置充电，“电容混合”槽的液体一段时间后排向稀释后废水储存槽，然后更新新的液体。