一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置及其使用方法，属于环保技术领域，装置包括直流电源、微量蠕动泵、磁力搅拌器、阴极室、阳极室、质子交换膜、电极；方法：污染水体加入到阴极室，接通直流电源，吸附在电极表面的硝酸根离子直接被电子还原为N2，或间接被还原氢还原为N2。本发明专利技术是要解决电催化还原硝酸盐电流效率偏低，反应产物选择性差的问题。装置结构简单，环境条件要求低，自动化程度高且无需后续处理，是一种有效地去除水中硝酸盐的电化学装置。

An electrochemical device for deep removal of nitrate from water and its application

The invention relates to an electrochemical device for deep removal of nitrate in water and its use method, belonging to the technical field of environmental protection. The device comprises a DC power supply, a micro peristaltic pump, a magnetic stirrer, a cathode chamber, an anode chamber, a proton exchange membrane and an electrode. Method: polluted water is added to the cathode chamber, a DC power supply is connected, and the nitrate ion adsorbed on the electrode surface is directly reduced to N by electrons 2, or indirectly reduced to N2 by reduced hydrogen. The invention aims to solve the problems of low current efficiency of electrocatalytic reduction of nitrate and poor selectivity of reaction products. The device has the advantages of simple structure, low environmental requirements, high degree of automation and no need of subsequent treatment. It is an effective electrochemical device for removing nitrate in water.

【技术实现步骤摘要】
一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置及其使用方法
本专利技术属于环保
，特别涉及一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置及其使用方法。
技术介绍
随着工农业的快速发展，由于大量氮肥的使用、动物粪便、生活污水及含氮工业废水的不合理处置，硝酸盐已成为地表水和地下水中常见的阴离子污染物。虽然硝酸盐本身是一种无毒离子，但饮用水中的硝酸盐进入人体后会被转化成具有“三致”作用的亚硝酸盐，形成高铁血红蛋白，阻碍氧气的传输，引起“蓝婴综合症”。因此，世界各国和卫生组织都对饮用水中硝酸盐氮的含量做出了明确规定，世界卫生组织饮用水卫生标准规定硝酸盐氮的含量不得大于11.3mg/L，美国饮用水标准公共卫生部规定了硝酸盐氮最高极限值为10mg/L，欧盟组织提出硝酸盐氮允许水平值为5.6mg/L，我国最新颁布实行的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2012）明确规定硝酸盐氮浓度不得超过10mg/L。传统去除水体中的硝酸盐的技术包括生物反硝化、反渗透、电渗析、离子交换等，但存在成本高、处理效果不佳且造成二次污染等问题。电化学方法是当前世界水处理领域内的一种新型水处理方法，可将硝酸盐转化为无毒N2，且反应速度快、自动化程度高，被认为是去除硝酸盐最具前景的环境友好型技术，但该技术存在反应物选择性低、电流效率低等缺点，限制了该技术在硝酸盐处理工程中的应用。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置及其使用方法，解决现有电化学还原硝酸盐电流效率偏低、反应产物选择性差等问题，高效处理水中的硝酸盐等污染物，生成无害N2。为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置包括直流电源、微量蠕动泵、磁力搅拌器、阴极室、阳极室、质子交换膜、电极、反应容器；所述磁力搅拌器、阴极室、阳极室、质子交换膜、阴极板、阳极板在反应容器内部；所述直流电源的正极连接阳极板，所述阳极板设置在阳极室内，所述阳极室的上部设置有取样口及集气口，所述阳极室的中部设置有进水口并且与蠕动泵的出水口相连，所述阳极室的底部设置有出水口并且与蠕动泵的进水口相连；所述直流电源的负极连接阴极板，所述阴极板设置在阴极室内，所述阴极室的上部设置有取样口及集气口，所述阴极室底部放置磁力搅拌器；所述阳极为所述阴极室和阳极室之间设置有质子交换膜；所述阴极室和阳极室通过方形法兰连接。进一步地，所述阴极板的材质为Cu-Sn-Bi，阳极板的材质为IrO2-RuO2。进一步地，所述阳极室中填充有浓度为10g/L~20g/L的无机盐溶液。进一步地，所述阴极室中填充有受污染水体和电解质。进一步地，一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置的使用方法按如下步骤进行：一、向阴极室加入污染水体，使阴极板在液面下后停止进水，然后对阴极室进行密封，在所述阳极室内加入10g/L~20g/L无机盐溶液，使阳极板在液面下；所述污染水体中硝酸盐氮的浓度为20mg/L~200mg/L；二、开启磁力搅拌器及蠕动泵进行水力搅拌，然后向阴极室加入浓度为0.1mol/L的盐酸溶液来控制阴极室内的pH为6~7；三、开启直流电源，电流密度为4mA/cm2~10mA/cm2，反应120min~420min后，即完成对水中硝酸盐的去除。进一步地，所述无机盐溶液为K2SO4溶液或Na2SO4溶液。本专利技术原理：本专利技术通过电化学还原技术去除水中的硝酸盐。电化学还原硝酸盐包括间接还原和直接还原。①间接还原：在电解硝酸盐的过程中，首先溶液中的H+在阴极被还原，产生的氢吸附在阴极表面，将NO3-还原成N2。②直接还原：部分吸附在阴极表面的NO3-在直接接受电子被逐步还原为N2。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术中电解水产生的还原氢可作为硝酸盐降解的还原剂，能够大大提高电化学还原硝酸盐的电流效率。（2）本专利技术中采用的IrO2-RuO2阳极析氧电位高，可有效氧化硝酸盐还原过程中生成的氨氮副产物，Cu-Sn-Bi阴极催化活性高，能够大大提高N2的选择性。（3）本专利技术中采用阴阳极不同的搅拌方式，阴阳极室电解液流态不同，硝酸盐处理效率高，装置结构简单，电解性能稳定，电解寿命长，维护费用低，处理工艺对环境条件要求低。（4）本专利技术可同时处理水中的亚硝酸盐氮和氨态氮，生成无害的氮气。附图说明图1为一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置的总体结构示意图；图2为一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置的反应容器立体示意图；图3为一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置的反应容器俯视图；图4为图3的A-A剖视图；图5为为一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置的反应容器侧视图；图中1为直流电源、2为微量蠕动泵、3为磁力搅拌器、4为阴极室、5为阳极室、6为质子交换膜、7为阴极板、8为阳极板、9为反应容器。具体实施方式为了进一步说明本专利技术，下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细地描述，但不能将它们理解为对本专利技术保护范围的限定。实施例1结合图1说明本实施方式，本实施方式一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置包括直流电源1、微量蠕动泵2、磁力搅拌器3、阴极室4、阳极室5、质子交换膜6、电极、反应容器9；所述磁力搅拌器3、阴极室4、阳极室5、质子交换膜6、阴极板7、阳极板88在反应容器9内部；所述直流电源1的正极连接阳极板8，所述阳极板8设置在阳极室5内，所述阳极室5的上部设置有取样口及集气口，所述阳极室5的中部设置有进水口并且与蠕动泵的出水口相连，所述阳极室5的底部设置有出水口并且与蠕动泵的进水口相连；所述直流电源1的负极连接阴极板7，所述阴极板7设置在阴极室4内，所述阴极室4的上部设置有取样口及集气口，所述阴极室4底部放置磁力搅拌器3；所述阳极为所述阴极室4和阳极室5之间设置有质子交换膜6；所述阴极室4和阳极室5通过方形法兰连接；所述阳极室5中填充有浓度为10g/L的Na2SO4溶液；所述阴极室4中填充有受污染水体和电解质；所述阴极板7的材质为Cu-Sn-Bi，阳极板8的材质为IrO2-RuO2。上述装置的使用方法为：向阴极室4加入100mg/L硝酸盐氮模拟废水，使阴极板7在液面下后停止进水，然后对阴极室4进行密封，在所述阳极室5内加入10g/LNa2SO4溶液，使阳极板8在液面下；开启磁力搅拌器3及蠕动泵进行水力搅拌，然后向阴极室4加入浓度为0.1mol/L的盐酸溶液来控制阴极室4内的pH为7；开启直流电源1，电流密度为6mA/cm2，反应300min后，硝酸盐去除率达100%。实施例2结合图一说明本实施方式，本实施方式一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置包括直流电源1、微量蠕动泵2、磁力搅拌器3、阴极室4、阳极室5、质子交换膜6、电极、反应容器9；所述磁力搅拌器3、阴极室4、阳极室5、质子交换膜6、阴极板7、阳极板8在反应容器9内部；所述直流电源1的正极连接阳极板8，所述阳极板8设置在阳极室5内，所述阳极室5的上部设置有取样口及集气口，所述阳极室5的中部设置有进水口并且与蠕动泵的出水口相连，所述阳极室5的底部设置有出水口并且与蠕动泵的进水口相连；所述直流电源1的负极连接阴极板7，所述阴极板7设置在阴极室4内，所述阴极室4的上部设置有取样口及集气口，所述阴极室4底部放置磁力搅拌器3；所述阳极为所述阴极室4和阳极室5之间设置有质子交换膜6；所述阴极室4和阳极室5通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置，其特征在于：深度去除水中硝酸盐的电化学装置包括直流电源（1）、微量蠕动泵（2）、磁力搅拌器（3）、阴极室（4）、阳极室（5）、质子交换膜（6）、阴极板（7）、阳极板（8）、反应容器（9）；所述磁力搅拌器（3）、阴极室（4）、阳极室（5）、质子交换膜（6）、阴极板（7）、阳极板（8）在反应容器（9）内部；所述直流电源（1）的正极连接阳极板（8），所述阳极板（8）设置在阳极室（5）内，所述阳极室（5）的上部设置有取样口及集气口，所述阳极室（5）的中部设置有进水口并且与蠕动泵（2）的出水口相连，所述阳极室（5）的底部设置有出水口并且与蠕动泵（2）的进水口相连；所述直流电源（1）的负极连接阴极板（7），所述阴极板（7）设置在阴极室内（4），所述阴极室（4）的上部设置有取样口及集气口，所述阴极室（4）底部放置磁力搅拌器（3）；所述阴极室（4）和阳极室（5）之间设置有质子交换膜（6）；所述阴极室（4）和阳极室（5）通过方形法兰连接。

【技术特征摘要】
1.一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置，其特征在于：深度去除水中硝酸盐的电化学装置包括直流电源（1）、微量蠕动泵（2）、磁力搅拌器（3）、阴极室（4）、阳极室（5）、质子交换膜（6）、阴极板（7）、阳极板（8）、反应容器（9）；所述磁力搅拌器（3）、阴极室（4）、阳极室（5）、质子交换膜（6）、阴极板（7）、阳极板（8）在反应容器（9）内部；所述直流电源（1）的正极连接阳极板（8），所述阳极板（8）设置在阳极室（5）内，所述阳极室（5）的上部设置有取样口及集气口，所述阳极室（5）的中部设置有进水口并且与蠕动泵（2）的出水口相连，所述阳极室（5）的底部设置有出水口并且与蠕动泵（2）的进水口相连；所述直流电源（1）的负极连接阴极板（7），所述阴极板（7）设置在阴极室内（4），所述阴极室（4）的上部设置有取样口及集气口，所述阴极室（4）底部放置磁力搅拌器（3）；所述阴极室（4）和阳极室（5）之间设置有质子交换膜（6）；所述阴极室（4）和阳极室（5）通过方形法兰连接。2.根据权利要求1所述的一种深度去除水中硝酸盐的电化学装置，其特征在于：所述阴极板的材质为Cu-Sn-Bi，阳极板的材质为Ir...

【专利技术属性】
技术研发人员：高维春，黄开拓，李丹，张立宝，
申请(专利权)人：辽宁拓启环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21