一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置及方法

技术领域

本申请属于镁空气电池污泥处理技术领域，具体涉及一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置及方法。

背景技术

镁空气电池是一种高能量密度电池，被广泛研究和应用于各个领域，如便携式电子设备、电动交通工具和能源储存系统等。相比传统锂离子电池，镁空气电池具有更高的理论能量密度、更丰富的资源、更低的成本和更低的环境影响。然而，在镁空气电池的运行过程中，通过吸收空气中的氧气调节电解质中的pH，使得成为一个重要的环境问题。

污泥滤液通常包含镁离子、氢氧根离子以及其他的混合物，其中包括可回收的磷资源。在传统的污泥处置中，这些污泥滤液被视为废弃物，并以低成本处理或排放到环境中。然而，这种处理方式存在着几个问题。首先，废弃或排放这些污泥滤液不仅是对资源的浪费，而且可能对周围环境造成污染。其次，由于污泥滤液中磷的含量较高，如果能够有效地回收这些磷资源，将对环境保护和可持续发展具有重要意义。

目前，对于镁空气电池污泥滤液的处理和磷回收，尚缺乏高效、经济且环境友好的方法。传统的磷回收技术主要应用于水体中的磷污染治理，而针对污泥滤液中磷的回收，还没有广泛应用的方法或工艺。

因此，研发一种能够利用镁空气电池从污泥滤液中高效、经济地回收污泥滤液中的磷资源，并减少环境污染和资源浪费的方法就成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置及方法，能够利用镁空气电池从污泥滤液中高效、经济地回收污泥滤液中的磷资源，并减少环境污染和资源浪费。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置，包括：镁空气电池系统，

混合装置，其用于将所述污泥与固体碳源混合产生含有高磷酸盐的污泥滤液；

沉淀剂，镁空气电池极板释放离子作为沉淀剂与所述污泥滤液反应生成混合溶液；

离心分离装置，所述混合溶液通过所述离心分离装置分离出固体磷产物和液体部分，其中，所述固体磷产物经过冷冻干燥机干燥取出，所述液体部分置入所述镁空气电池系统中。

进一步地，镁空气电池系统包括：镁阳极结构和空气阴极结构，所述镁阳极结构和所述空气阴极结构与外接电阻电连接。

进一步地，所述镁阳极结构的表面涂敷有防腐层。

进一步地，所述镁阳极结构采用纯度高于99％的镁金属材料。

进一步地，镁空气电池系统还包括：石英板结构，所述石英板结构内设有容纳腔，所述镁阳极结构固定在所述容纳腔的一侧，所述空气阴极结构固定在与所述镁阳极结构相对应的另一侧。

进一步地，所述石英板结构上设有固定槽，所述镁阳极结构和所述空气阴极结构固定在所述固定槽中。

进一步地，所述石英板结构上开设有固定孔，所述镁阳极结构和所述空气阴极结构通过固定件穿过所述固定孔固定在所述容纳腔上。

本发明还提供了一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的方法，该方法采用上述的以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置进行，包括如下过程：

S01、将调节好的污泥滤液置于镁空气电池系统中，外接电阻为40Ω，反应时间为4h，每隔30min取样一次，样品经过0.45μm滤膜过滤后，按照标准方法测定磷酸盐和氨氮的浓度，比较磷酸盐的回收率；

S02、预处理：将污泥与固体碳源混合，固体碳源与污泥滤液中的磷酸盐反应，使得磷酸盐溶解并转化为可溶性磷化合物；

S03、沉淀和过滤：通过镁空气电池使磷酸盐沉淀，然后通过过滤分离磷酸盐沉淀物；

S04、离心分离：将磷酸盐沉淀物进行离心分离，离心时间为20-30分钟，以获得固体磷产物和液体部分；

S05、干燥：将固体磷产物进行干燥处理，得到高纯度的含磷的鸟粪石产品；

S06、将液体部分重新供给镁空气电池系统以继续产生电能。

根据权利要求7所述的一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的方法，其特征在于，所述固体碳源是农业废弃物，包括：玉米芯粉、核桃壳、秸秆等。

优选地，所述沉淀剂为包括氢氧化镁、鸟粪石和磷酸镁等化学物质。

优选地，所述干燥步骤冷冻干燥机干燥36h-48h。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

(1)本申请中，通过投加固体碳源，使得污泥滤液中的磷酸盐浓度显著升高，从而实现了高回收磷的效率。通过优化处理步骤和条件，例如固体碳源的选择和投加量的控制，可以最大限度地促进磷的溶解和释放，提高回收效率。相比传统方法，本发明能够显著提升磷回收率，减少资源浪费。

(2)本申请中，回收磷的高效率有助于减少磷的释放和排放到环境中的量。磷是一种宝贵的资源，但过量释放到水体中可能导致水体富营养化和藻类爆发，对水生生物和生态系统造成负面影响。通过采用本发明的方法，可以最大限度地回收磷并减少其对环境的负荷，实现循环经济和可持续发展目标。

(3)本申请中，通过高效回收污泥滤液中的磷，实现了对镁空气电池中有价值成分的综合利用。磷是一种重要的农业肥料，具有促进植物生长和发育的重要作用。传统上，大量的磷资源被浪费，通过本发明的方法可以将这些磷资源回收利用，提高资源的利用率，减少对原始磷矿石的依赖，从而实现资源的可持续利用。

(4)本申请中，高回收磷效率不仅有助于节约资源，还能够带来显著的经济效益。镁空气电池的污泥滤液中含有大量的磷，通过高效回收并将其转化为高纯度的磷产品，可以降低生产成本和原料采购费用。同时，通过改善磷资源的供应稳定性，本发明为镁空气电池等相关产业提供了可靠的磷供应保障，促进产业发展和竞争力的提升。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：本申请用于回收污泥滤液中磷的镁空气电池系统的反应器示意图；

图2：本申请实施例一中回收的固体的SEM-EDS图谱对比图；

图3：本申请实施例1-3中镁空气电池回收污泥滤液的效果图。

附图标记：1-镁阳极板；2-空气阴极板；3-螺丝钉；4-石英板；41-容纳腔；5-固定孔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1和图2所示，在本实施例中，一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置，包括：由镁阳极、空气阴极和电解液组成的镁空气电池系统，其可以产生电能并同时生成鸟粪石，

混合装置，其用于将所述污泥与固体碳源混合产生含有高磷酸盐的污泥滤液；

沉淀剂，镁空气电池极板释放离子作为沉淀剂与所述污泥滤液反应生成混合溶液；

离心分离装置，所述混合溶液通过所述离心分离装置分离出固体磷产物和液体部分，其中，所述固体磷产物经过冷冻干燥机干燥取出，所述液体部分置入所述镁空气电池系统中。

进一步地，镁空气电池系统包括：镁阳极1、电解质和空气阴极2，所述镁阳极1和所述空气阴极2与外接电阻电连接。所述空气阴极2采用氧气作为反应物，并使用高效的氧气阴极催化剂以提高电池性能。

进一步地，所述镁阳极1的表面涂敷有防腐层，以便于保护镁阳极1的表面以提高抗腐蚀性能。

进一步地，所述镁阳极1采用纯度高于99％的镁金属材料。

进一步地，镁空气电池系统还包括：石英板4，所述石英板结构内设有容纳腔41，电解液装入所述容纳腔41中，所述镁阳极1固定在所述容纳腔41的一侧，所述空气阴极2固定在与所述镁阳极1相对应的另一侧。

进一步地，所述石英板4上设有固定槽，所述镁阳极1和所述空气阴极2固定在所述固定槽中。

进一步地，所述石英板4上开设有固定孔5，所述镁阳极1和所述空气阴极2通过螺丝3穿过所述固定孔5固定在所述容纳腔41上。其中，本申请中，所述固定件可以选择螺钉、螺栓，可实现固定功能即可，对此不做出具体限定。

本发明还提供了一种以镁空气电池回收污泥滤液中磷的方法，该方法采用上述的以镁空气电池回收污泥滤液中磷的装置进行，包括如下过程：

S01、将调节好的污泥滤液置于镁空气电池系统中，外接电阻为40Ω，反应时间为4h，每隔30min取样一次，样品经过0.45μm滤膜过滤后，按照标准方法测定磷酸盐和氨氮的浓度，比较磷酸盐的回收率；

S02、预处理：将污泥与固体碳源混合，固体碳源与污泥滤液中的磷酸盐反应，使得磷酸盐溶解并转化为可溶性磷化合物；它利用固体碳源的投加来提高污泥滤液中的磷酸盐浓度。通过对固体碳源投加量的控制，可以增加污泥滤液中的磷酸盐浓度，并为后续步骤的磷回收提供更好的条件。

S03、沉淀和过滤：通过镁空气电池极板释放离子使磷酸盐沉淀，然后通过过滤分离磷酸盐沉淀物；适当的电极板选择是保证高效磷回收的关键。电极板的选择通常考虑其与磷酸盐形成沉淀的反应性、成本等因素。优化的电极板类型和投加量可以最大程度地提高磷回收率，并避免过多的废弃物产生。

S04、离心分离：将磷酸盐沉淀物进行离心分离，离心时间为20-30分钟，以获得固体磷产物和液体部分；

S05、干燥：将固体磷产物进行干燥处理，得到高纯度的含磷的鸟粪石产品；

S06、将液体部分重新供给镁空气电池系统以继续产生电能。

其中，根据不同的需求和实际情况，可以采用不同的磷回收方法，如化学沉淀、吸附和离子交换等。化学沉淀是一种常用的磷回收方法，通过添加适当的沉淀剂，使磷酸盐形成沉淀，以实现磷的分离和回收。吸附和离子交换是其他可选择的磷回收方法。吸附材料的选择和操作条件的优化是实现高效磷回收的关键。常用的吸附材料包括活性炭、树脂等。离子交换则通过选择具有亲磷性的树脂，使磷酸盐与树脂发生离子交换，从而实现磷的回收。本申请不做具体限定，可实现回收磷的功能即可。

优选地，所述固体碳源是农业废弃物，包括：玉米芯粉、核桃壳、秸秆，选择农业废弃物其价格便宜，具有很好的经济效益。根据具体情况，可以选择不同的固体碳源，并通过实验和优化，确定最佳的投加量和操作条件，以获得最高的磷回收效率。

优选地，所述沉淀剂为包括氢氧化镁、鸟粪石和磷酸镁等化学物质。

优选地，所述干燥步骤冷冻干燥机干燥36h-48h。

实施例一

取80mL磷酸盐浓度为150mg/L的污泥滤液，加入一定量的氯化铵使得氮磷摩尔比为4，将调节好的污泥滤液置于镁空气电池系统中，外接电阻为40Ω，反应时间为4h，每隔30min取样一次，样品经过0.45μm滤膜过滤后，按照标准方法测定磷酸盐和氨氮的浓度，比较磷酸盐的回收率。当反应时间为1，2，4h时，收集反应后得到的固体，经过过滤、洗涤、干燥后得到鸟粪石固体，后测定其纯度。获得的沉淀的SEM图像和相对应的EDS图像如图2所示，表明和商业鸟粪石的SEM-EDS图像相比，不同反应时间生成的沉淀和它存在明显的差异。和1h后获得的沉淀相比，反应2h，4h后获得沉淀晶体含有更少的形状规则的长方形柱体，且随着反应时间增长，获得的晶体沉淀表面的杂质越多。EDS结果也显示获得的沉淀包含O、Mg、P、N元素但是其元素的占比有所差异。和商业鸟粪石相比，反应1h从AC滤液中获得的沉淀的Mg/P原子比与之最为接近，这进一步说明了反应1h从AC滤液中获得的鸟粪石沉淀的纯度最大。

实施例二

取80mL磷酸盐浓度为50mg/L的污泥滤液，加入一定量的氯化铵使得氮磷摩尔比为4，将调节好的污泥滤液置于镁空气电池系统中，外接电阻为40Ω，反应时间为4h，每隔30min取样一次，样品经过0.45μm滤膜过滤后，按照标准方法测定磷酸盐和氨氮的浓度，比较磷酸盐的回收率。当反应时间为1，2，4h时，收集反应后得到的固体，经过过滤、洗涤、干燥后得到鸟粪石固体，后测定其纯度。

实施例三

取80mL磷酸盐浓度为150mg/L的污泥滤液，加入一定量的氯化铵使得氮磷摩尔比为1，将调节好的污泥滤液置于镁空气电池系统中，外接电阻为40Ω，反应时间为4h，每隔30min取样一次，样品经过0.45μm滤膜过滤后，按照标准方法测定磷酸盐和氨氮的浓度，比较磷酸盐的回收率。当反应时间为1，2，4h时，收集反应后得到的固体，经过过滤、洗涤、干燥后得到鸟粪石固体，后测定其纯度。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请中，通过投加固体碳源，使得污泥滤液中的磷酸盐浓度显著升高，从而实现了高回收磷的效率。通过优化处理步骤和条件，例如固体碳源的选择和投加量的控制，可以最大限度地促进磷的溶解和释放，提高回收效率。相比传统方法，本发明能够显著提升磷回收率，减少资源浪费。

本申请中，回收磷的高效率有助于减少磷的释放和排放到环境中的量。磷是一种宝贵的资源，但过量释放到水体中可能导致水体富营养化和藻类爆发，对水生生物和生态系统造成负面影响。通过采用本发明的方法，可以最大限度地回收磷并减少其对环境的负荷，实现循环经济和可持续发展目标。

本申请中，通过高效回收污泥滤液中的磷，实现了对镁空气电池中有价值成分的综合利用。磷是一种重要的农业肥料，具有促进植物生长和发育的重要作用。传统上，大量的磷资源被浪费，通过本发明的方法可以将这些磷资源回收利用，提高资源的利用率，减少对原始磷矿石的依赖，从而实现资源的可持续利用。

本申请中，高回收磷效率不仅有助于节约资源，还能够带来显著的经济效益。镁空气电池的污泥滤液中含有大量的磷，通过高效回收并将其转化为高纯度的磷产品，可以降低生产成本和原料采购费用。同时，通过改善磷资源的供应稳定性，本发明为镁空气电池等相关产业提供了可靠的磷供应保障，促进产业发展和竞争力的提升。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。