一种有机酸修饰原位生长的穿透式电极以及电解处理硝氮废水回收氨的方法技术

本发明专利技术公开了一种有机酸修饰原位生长的穿透式电极，及其制备方法，并利用该电极电解处理硝氮废水回收氨的方法。采用活性碳纤维阳极与有机酸修饰原位生长的穿透式电极材料结合起来，成功构建了一种新型的电化学处理硝氮废水回收氨的方法，能够高效的去除各种废水中硝氮，还能回收具有商业价值氨，应用范围广。两种电极材料活性碳纤维阳极与有机酸修饰原位生长的穿透式电极都属于相对性质稳定，对环境友好，不容易造成二次污染，并具有一定的循环性，非常值得推广。非常值得推广。非常值得推广。

【技术实现步骤摘要】
一种有机酸修饰原位生长的穿透式电极以及电解处理硝氮废水回收氨的方法


[0001]本专利技术涉及环境保护的污水处理技术以及资源化利用领域，具体涉及利用电化学法处理硝氮废水和回收氨的方法，还包括专用的阴极电极的制备方法。

技术介绍

[0002]随着畜牧业、农业、化学试剂生产、稀土冶炼、火药制造、电子元件生产等行业的迅速发展，硝氮废水的排放量急剧上升，带来了给水处理成本增加，水体富营养化，饮水源污染等一系列环境问题，同时废水中产生的亚硝酸盐会引发高血压、糖尿病、甲状腺功能亢进等多种疾病，甚至中毒致癌，严重危害了人体健康。由于氮元素是所有生物的必须营养元素，任何生物的生长，延续和发展都不离开氮元素，而我国在畜牧业、农业、化学药剂生产、饲料生产、电子元件生产等工业均十分发达，导致产生硝氮废水量较多，倘若能够回收利用硝氮废水中氮元素，实现变废为宝的资源化利用将具有重大科学意义。
[0003]目前处理硝氮的方法有膜吸收法、化学沉淀法、离子交换法和生物法等。膜吸收法、化学沉淀法和离子交换法这些方法均面临成本高，效率低和二次污染的问题。虽然生物法是处理硝氮废水的首选，但是该方法不仅具有易受温度、pH的影响、反应速度较慢、工艺流程长、占地面积大等缺点，这些限制了该方法的大规模应用。最重要的是这些硝氮废水处理的方法大多数是将硝氮转化为无二次污染的氮气，而不是将硝氮废水中氮元素转化为高附加值的产物，实现变废为宝、废物资源化。
[0004]电化学法处理硝氮废水不仅具有操作简单、可控性强、经济适用、反应条件温和、受环境影响小等众多优点，而备受研究者青睐。然而氮的化合价态在
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3～+5之间，其所有价态的化合物都比较稳定，这导致电化学法去除硝氮的过程十分复杂，产物多样化，选择性极差，容易造成二次污染。众所周知，阴极材料在硝氮去除过程中起着十分重要的作用，不仅影响其去除效率，还影响产物选择性。这意味着研发合适的阴极材料是解决问题的关键。
[0005]近年来，用于电化学法去除硝氮废水的阴极材料包括单一金属、合金和非金属电极，然而这些电极材料面临成本高、活性差、产物选择性低、耐腐蚀性差和稳定性差等挑战。考虑到电化学法的广泛应用场景，研发、制备一种新型的高效率、高稳定性、耐腐蚀性的电极材料迫在眉睫。从而能够解决硝氮废水带来日益突出的环境问题。
[0006]如果能够开发一种能同时高效处理硝氮废水并回收氨的电化学技术，研发高活性、高稳定性和高选择性的电极材料，对于当今环境保护、能源节约和废物资源化意义重大，并且能大幅度降低污水处理成本，减少二次污染，具有巨大的工业化前景，也具有重大的市场应用前景。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种有机酸修饰原位生长的穿透式电极以及利用该电极电解处理硝氮废水回收氨的方法，可以高效、高选择性和
高稳定性处理硝氮废水并回收氨。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术解决方案是：
[0009]一种原位生长的穿透式纳米金属电极，为在泡沫镍基质原位生长纳米金属，所述纳米金属的尺寸为20nm～100nm，所述纳米金属为铁或锌。
[0010]为了提高所述原位生长的穿透式纳米金属电极的活性，进一步，所述穿透式纳米金属电极表面经有机酸修饰制得有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极，所述的表面修饰层为有机酸与金属的配体层。
[0011]所述原位生长的穿透式纳米金属电极，其制备步骤为：将泡沫镍作为工作电极，以无机盐的水溶液作为电解质，通电在泡沫镍表面原位生长一层纳米金属。其中：通电原位生长电位为﹣1.5V～﹣1.0V，通电时间为5
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30min。电解所用阳极可以是碳布。
[0012]进一步，所述泡沫镍在使用前经过前处理步骤：依次用稀酸、丙酮、去离子水洗涤，烘干后备用。
[0013]进一步，所述无机盐为铁或锌的可溶性无机盐，例如：氯化盐或硫酸盐；优选为铁的可溶性无机盐。所述无机盐溶液的浓度为0.01～0.5mol/L，优选为0.2
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0.3mol/L。
[0014]所述有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极，其制备步骤为：取有机酸或有机酸盐的水溶液，调节其pH值为6～8，将原位生长的穿透式纳米金属电极完全浸没于前述调节好pH值的溶液中，在160～220℃下反应16～28h，即得。
[0015]进一步，所述有机酸为柠檬酸、醋酸、苹果酸、草酸、酒石酸等，所述有机酸盐为柠檬酸、醋酸、苹果酸、草酸、酒石酸等酸对应的盐。所述可溶性有机酸或有机酸盐溶液的浓度为0.05～2mol/L，优选为0.1～1.0mol/L，更优选为0.3
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0.6mol/L。
[0016]进一步，调节溶液pH值的溶液为氢氧化钠溶液。
[0017]进一步，所述水热反应温度为190～220℃，水热反应时间为18
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26h。
[0018]一种利用电化学法处理硝氮废水的方法，包括以下步骤：在电解池中，阳极池和阴极池的电解池中分别装入待处理硝氮废水，所述的阳极池和阴极池之间采用质子交换膜隔开，以上述原位生长的穿透式纳米金属电极或有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极为阴极，以碳纤维为阳极，电流密度为1～15mA/cm2下处理，处理时间在20min以上。
[0019]为了回收还原硝氮废水产生的氨，电解池旁边还设有回收池，回收池中装入一定浓度的硫酸溶液，阴极池和回收池之间采用气态分子透过膜。通过气态氨分子透过膜与稀硫酸溶液反应生成硫酸铵的方法来回收氨。
[0020]本专利技术的有益效果在于：
[0021]1、本专利技术巧妙地利用较为简单的方法合成一种原位生长的穿透式纳米金属电极，具有较好的电化学还原硝氮生成氨的活性及高选择性。该原位生长的穿透式纳米金属电极经过有机酸修饰后，不仅还原硝氮生成氨的活性提高了，抗腐蚀能力还得到增强，使其使用寿命也延长。
[0022]2、本专利技术中的电极材料，活性碳纤维阳极材料与有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极材料都属于相对性质稳定，对环境友好，不容易造成二次污染，并具有一定的循环性。
[0023]3、本专利技术所使用的有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极材料，其合成原料廉价易得，合成条件容易实现，无需复杂装置，操作简单，无危险性，无需聘请专业人员操
作。
[0024]4、本专利技术以活性碳纤维阳极材料与有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极材料为阴极材料成功构建了一种新型的电化学去除硝氮废水反应装置，该装置分别为阳极池、阴极池和回收池，其中阳极池和阴极池之间采用质子交换膜隔开，阴极池和回收池之间采用气态分子透过膜。该电化学法去除硝氮废水回收氨的方法，能够高效的去除硝氮废水并且回收氨，应用范围广。
[0025]5、本专利技术具有能耗低，工艺简单，绿色环保，高活性，高稳定性，成本低易于工业化，应用范围广等优势。
附图说明
[0026]图1为未经修饰的泡沫镍电极和原位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，为在泡沫镍基质原位生长纳米金属，所述纳米金属的尺寸为20 nm ~ 100 nm，所述纳米金属为铁或锌。2.一种有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，在权利要求1所述的穿透式纳米金属电极表面经有机酸修饰制得有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极，所述的表面修饰层为有机酸与金属的配体层；所述有机酸为柠檬酸、醋酸、苹果酸、草酸或酒石酸。3.根据权利要求1所述的原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，其制备步骤为：将泡沫镍作为工作电极，以无机盐的水溶液作为电解质，通电在泡沫镍表面原位生长一层纳米金属。4.根据权利要求3所述的原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，所述无机盐为氯化盐或硫酸盐；其浓度为0.01~0.5mol/L。5.根据权利要求4所述的原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，所述通电原位生长电位为﹣1.5 V~﹣1.0 V，通电时间为5
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30 min。6.根据权要求2所述的有机酸修饰原位生长的穿透式纳米金属电极，其特征在于，其制备步骤为：取有机酸或有...

【专利技术属性】
技术研发人员：全凤娇，申文娟，李建芬，
申请(专利权)人：武汉轻工大学，
类型：发明
国别省市：