电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，该装置包括以阳极室

【技术实现步骤摘要】
电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法


[0001]本专利技术涉及氨氮回收
，尤其涉及一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法。

技术介绍

[0002]氮是生命必需的营养素，其生物可利用形式铵态氮(NH
4+
‑
N)被广泛用于农作物种植领域，为不断增长的人口增加粮食产量。然而，从大气中固氮的哈伯法作为一个能源密集型的工艺，其CO2排放量约占全球CO2排放量的 1.6％。氨基氮肥作为总氨氮(TAN)的主要商业用途，却仅有约17％通过农作物或牲畜消耗，有大量的氮流失到水生态系统中，这不仅会影响水体中的生物多样性，也会带来水体富营养化等一系列环境问题。基于生物硝化反硝化的传统污水处理厂面临的高脱氮负荷(仅脱氮过程耗能12.5kWh/kgN)的问题，可持续的氨回收将助力“减污降碳”的新生态文明建设理念。
[0003]基于疏水透气膜的跨膜化学吸收(TMCS)已经被证明能够有效地进行氨回收，然而，TMCS需要不断地添加碱来维持废水的高pH值(＞10)，以将铵(NH
4+
)转化为挥发性氨(NH3)；基于化学品使用、动力供应等运营成本的估算，TMCS系统耗能约为12.44kWh/kgN，因此缺乏一定的经济性。
[0004]近年来，电化学系统(eANR)因其工艺集成、无试剂投加等优势提供了一种绿色回收氨方案。首先，该系统在阴极产生OH
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来提供阴极室中的高 pH值，通过电迁移驱动TAN跨过阳离子交换膜(CEM)传输到阴极室；然后，NH
4+
在阴极室去质子化形成NH3，NH3再通过TMCS实现回收。文献(Gas
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diffusion
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electrode based direct electro
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stripping system for gaseousammonia recovery from livestock wastewater,Water Research,196(2021))公开了一种基于气体扩散阴极从畜禽废水中回收氨的设计；该系统仅包括废水室以及回收氨的阴极室，其中阴极室位于阳离子交换膜和气体扩散电极之间一个非常狭窄的空间，能够维持高碱性环境以便于NH
4+
立即转化为NH3；在电流密度10mA/cm2的条件下，上述系统虽然能够实现890gN/m2/d的高氨通量，但是其比能耗达到了7.42kWh/kgN。文献(Bipolar MembraneElectrodialysis for Ammonia Recovery from Synthetic Urine:Experiments, Modeling,and Performance Analysis,Environ.Sci.Technol.2021,55,14886
‑ꢀ
14896)公开了一种利用双极膜电渗析回收废水中氨氮的方法；该系统利用电化学反应耦合双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜分隔形成四电解槽，包括阳极室、废水室、酸室和阴极室；其中，氨氮废水通入系统后，在外电场的作用下，双极膜产生的OH
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迁移到废水中，再将废水通入独立的TMCS组件进行氨回收；由于双极膜的特性，该系统可利用在酸室中产生的酸同步吸收废水中的氨氮，与传统电化学回收氨氮的方法相比更加绿色清洁；但是该系统产生的OH
‑
需要大量应用于保持废水室中的强碱性环境，大大降低了体系的电荷利用效率。综上，高能耗仍然是制约电化学氨回收技术实际应用的主要瓶颈。
[0005]有鉴于此，有必要设计一种改进的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，通过利用电化学反应耦合固态阴阳离子聚合物电解质构建的膜电极反应器；该反应器利用固态电解质，使NH
4+
与OH
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的复合发生在固相中，打破了对液体中OH
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的浓度依赖，避免了OH
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的浪费，提高了体系的电荷利用效率，进而实现了更低能耗的氨回收。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，该装置包括以阳极室
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阳离子交换膜
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质子传导层
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阴离子交换膜
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废水室
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阳离子交换膜
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氢氧根传导层
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阴离子交换膜
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阴极室的顺序构建的膜电极反应器；所述质子传导层内设有固态阴离子聚合物电解质，所述氢氧根传导层内设有固态阳离子聚合物电解质；所述废水室中的Cl
‑
和NH
4+
分别与所述阳极室生成的H
+
离子、所述阴极室生成的OH
‑
离子在固态聚合物电解质层中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述固态阴离子聚合物电解质的功能基团包含磺酸基团；所述固态阳离子聚合物电解质的功能基团包含季铵盐基团。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述回收废水中氨氮的装置还设有回收室；所述回收室分别连通所述质子传导层和所述氢氧根传导层，用于回收所述质子传导层挥发出的氯化氢，得到盐酸溶液，并作为所述氢氧根传导层逸出的氨气的吸收液。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述阳极室设有析氧电极；所述阴极室设有氧还原电极。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述阴极室设有气体通入装置；所述阳极室设有气体收集装置；所述气体收集装置连通所述气体通入装置，将所述阳极室产生的氧气循环至所述阴极室利用。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述析氧电极为负载析氧催化剂的电极，所述氧还原电极为负载氧还原催化剂的气体扩散电极。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述固态阴离子聚合物电解质和所述固态阳离子聚合物电解质均为多孔的微球颗粒，所述微球颗粒的孔径为2nm～2μm，优选为2～100nm；微球颗粒直径为50～300μm，优选为50～100μm。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度为 30～200μm，优选为50～183μm。
[0015]一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，采用上述任一项所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置进行废水中氨氮的回收，包括以下步骤：
[0016]S1、将废水循环通入所述装置的废水室中，将空气经气体通入装置通入阴极室；并通过外直流电路向阳极室的析氧电极和阴极室的氧还原电极施加电压；
[0017]S2、废水中以NH
4+
为主的阳离子在电场作用下向氧还原电极的方向迁移，穿过阳离子交换膜进入氢氧根传导层，并在所述阳离子交换膜和固态阳离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，该装置包括以阳极室
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阳离子交换膜
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质子传导层
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阴离子交换膜
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废水室
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阳离子交换膜
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氢氧根传导层
‑
阴离子交换膜
‑
阴极室的顺序构建的膜电极反应器；所述质子传导层内设有固态阴离子聚合物电解质，所述氢氧根传导层内设有固态阳离子聚合物电解质；所述废水室中的Cl
‑
和NH
4+
分别与所述阳极室生成的H
+
离子、所述阴极室生成的OH
‑
离子在固态聚合物电解质层中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收。2.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述固态阴离子聚合物电解质的功能基团包含磺酸基团；所述固态阳离子聚合物电解质的功能基团包含季铵盐基团。3.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述回收废水中氨氮的装置还设有回收室；所述回收室分别连通所述质子传导层和所述氢氧根传导层，用于回收所述质子传导层挥发出的氯化氢，得到盐酸溶液，并作为所述氢氧根传导层逸出的氨气的吸收液。4.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阳极室设有析氧电极；所述阴极室设有氧还原电极。5.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阴极室设有气体通入装置；所述阳极室设有气体收集装置；所述气体收集装置连通所述气体通入装置，将所述阳极室产生的氧气循环至所述阴极室利用。6.根据权利要求4所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述析氧电极为负载析氧催化剂的电极，所述氧还原电极为负载氧还原催化剂的气体扩散电极。7.根据权利要求1所述的电化学耦合固态...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱嘉，王家豪，赵伟，王晓君，申梦鑫，基立峣，冯时佳，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：