酸性矿山排水(Acid mine drainage,AMD)持久性排放、污染范围广、生态风险大,美国环境保护署(EPA)称其造成的环境风险仅次于全球气候变暖。现有的AMD治理技术运行成本高,而回收AMD中有价物质(氢和金属等元素)具有一定经济价值,不仅符合联合国《全球废物管理展望2024》的“零废物”(Zero Waste)目标,也可以抵消部分运行成本。本研究设计了一种酸碱不平衡电解池(Acid-base Imbalance electrolytic cell,AB-EC),利用电化学中和能和尿素氧化能驱动产氢和金属离子氢氧化物沉淀,实现AMD治理和资源化(产氢和回收金属元素)。主要结论如下: (1)以煤矿型AMD(仅含Fe²⁺一种金属离子)为处理对象,研究序批式运行时不同运行参数对AB-EC资源化处理性能的影响。当电极间距为2.5 cm,采用8 V电压,阳极室采用0.5 mol/L尿素和0.1 mol/L氢氧化钠混合溶液,处理230m L AMD,电解50 min,Fe²⁺去除率达84.01±2.25%,氢气产量为65.0±2.0 m L,出水Fe²⁺浓度为89.6 mg/L,资源化效果最佳。进而将优化体系运用至处理冻融型硫铁矿AMD(含Fe²⁺、Al³⁺、Mn²⁺、Ni²⁺)的3种运行工艺流程中,序批式运行、连续运行和阴极液回流式运行对Fe²⁺、Al³⁺和Ni²⁺的去除率均达90%以上,一级沉淀池回收Al(OH)₃,二级沉淀池中回收Fe、Mn、Ni三种金属元素。在氢气回收方面,序批式运行性能最佳,运行80 min,两级序批式运行共产84.0±5.0m L氢气。 (2)以冻融型硫铁矿AMD为处理对象,采用序批式运行深入研究AB-EC去除金属和产氢机理,分析阳极室物料消耗量和能量供给机理。金属离子去除主要与还原电位和溶度积有关,四种金属离子的去除顺序为Al³⁺>Fe²⁺>Ni²⁺>Mn²⁺。阴极电极表面自发电沉积Fe Ni合金,其中Ni位点和Fe位点具备强催化析氢活性,有助于提高氢气产量。AB-EC阳极的尿素氧化能(UOR)仅0.37 V,比传统电化学技术的析氧反应(OER)氧化能降低了0.86 V,双极膜的使用不仅在反向偏置电压下使水的解离速度提升5~6个数量级,还可以隔绝双室使各自保持不同的pH,为反应提供0.6 V的电化学中和能(ENE)。因此,UOR和ENE为反应供给能量以及双极膜的使用提升了AB-EC电解速率。 (3)以多种矿型AMD为研究对象,AB-EC对Cu²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺的平均去除率达到60%以上,而对Mg²⁺和Ca²⁺的平均去除率低于50%。上述金属离子去除优先顺序为Cu²⁺>Al³⁺>Zn²⁺>Fe²⁺>Ni²⁺>Mn²⁺>Mg²⁺>Ca²⁺。AB-EC处理不同矿型AMD的吨水氢气产量为0.22 m³~1.41 m³,能量转化效率区间为11.43%~35.09%。AB-EC适用于铜矿、黄铁矿、铀矿、煤矿、铁-铜多金属矿、金-铜矿AMD电解产氢,同时对上述矿型AMD中Cu²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺具有良好的去除效果。