一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置及方法，装置包括依次通过输液管路连接的调节池、电解槽及储水箱；电解槽内设有阳极和阴极，所述阳极和阴极分别通过导线与外部电源连接；所述的阳极包括导电基体及负载在导电基体上的双金属位点单原子催化剂；所述的阴极选自Pt电极、Cu电极、不锈钢电极、石墨电极、镍电极中的一种。本发明专利技术通过负载在阳极上的双金属位点单原子催化剂，可直接电化学氧化实现废水中的氨氮去除。本方法无需其他辅助装置便能有效实现全脱氮，将废水中的氨氮转化为绿色环保的氮气，达到资源化和无害化。达到资源化和无害化。达到资源化和无害化。

【技术实现步骤摘要】
一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置及方法


[0001]本专利技术涉及电化学反应装置
，尤其是涉及一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置及方法。

技术介绍

[0002]氨氮在水体中主要以游离氨(NH3)或铵盐(NH
4+
)的形式存在，是造成我国水环境污染的主要污染物之一，已成为对人类健康产生威胁的世界性环境问题。氨氮浓度过高会导致流动性慢的水体富营养化，使得藻类大量繁殖，不断消耗水中溶解氧，并可能释放出有害毒素，严重破坏了水生生态系统的平衡。根据氨氮浓度差异，可将氨氮废水分为：低浓度氨氮废水(＜50mg/L)、中浓度氨氮废水(50mg/L～500mg/L)和高浓度氨氮废水(＞500mg/L)。根据《第二次全国污染源普查公告》中的数据显示，全国水污染物排放量中，氨氮的年排放量达到96.34万吨。这些氨氮废水主要来自生活废水中的含氮有机物分解，各类工业废水，以及畜牧养殖与农田尾水等。例如，垃圾渗滤液中的氨氮含量高达到2000mg/L，焦化废水中的氨氮含量也有700mg/L，而黑膜沼气池中的含量更是最高可以达到4800mg/L。然而根据我国现行的环保标准中涉及的氨氮废水排放指标，氨氮标准限值范围为0.02mg/L～150mg/L，因此上述废水远远超过限值范围的，因此需要通过进一步的处理使其达到排放标准。
[0003]传统的氨氮去除方法有吹脱法、折点氯化法、以及生物法等。其中，吹脱法常用于处理含高浓度的氨氮废水，效果稳定且投资成本较低。然而，处理后的尾水氨氮浓度仍然高达100mg/L，需要通过进一步的深度处理才能达到排放标准，且吹脱过程中设备容易结垢从而影响后续运行，因此需要对设备进行定期的检查。折点氯化法仅适用于低浓度氨氮废水的处理，该方法需要消耗大量的液氯，液氯的储存以及利用都有较高的安全要求。当废水中有机物含量较高时，生成的副产物氯氨、氯代有机物会造成二次污染。对于可生化性高(BOD/COD＞0.3)的氨氮废水(氨氮浓度高于300mg/L)可用生物法处理，但该方法的占地面积大，对生物现存的微环境条件要求严苛，低浓度时需额外投加有机碳源，对运行管理的要求较高。因此，人们在研究如何提升传统氨氮处理技术的同时，也在寻求一种新的成本效益更高，能耗更少，产物更加清洁的氨氮处理工艺。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了克服现有技术的氨氮处理工艺存在的上述问题，提供一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置及方法，电催化装置中采用负载双金属位点单原子催化剂的电极为阳极，Pt电极或Cu电极作为阴极，可有效地去除废水中的氨氮；无需配合其他辅助装置，产物绿色环保和无二次污染，可以实现全脱氮效用。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，包括依次通过输液管路连接的调节池、电解槽及储水箱；所述的电解槽内设有阳极和阴极，所述阳极和阴极分别通过导线与外部电源连接；所述的阳极包括导电基体及负载在导电基体上的双金属位点单原子催化剂；所
述的阴极选自Pt电极、Cu电极、不锈钢电极、石墨电极、镍电极中的一种。
[0006]电催化氨氧化技术去除废水中的氨氮是一种高效、低能耗、绿色环保的处理方案；本专利技术中的装置，通过负载在阳极上的双金属位点单原子催化剂，可使废水中的氨氮在电解槽内直接高效地选择性转化为绿色环保的氮气，达到全脱氮的效果；本专利技术的电解槽内，废水中的氨氮去除过程中的主要反应式如下：阳极附近：Anode:2NH3(aq)+6OH
‑
→
N2↑
+6H2O+6e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)阴极附近：电解槽中的总反应：
[0007]本专利技术中的装置去除氨氮效率高，废水中氨氮去除率可达到98％以上，实现废水的全脱氮，将废水中的氨氮污染物全部转化为对环境无害的氮气；处理后的出水水质符合排放标准，后续无需经过其他二次处理，进一步降低了处理成本。此外，反应过程中也无需额外投加有机碳源，且装置结构简易，可以进一步降低水处理成本。
[0008]作为优选，所述的电解槽内设有用于分隔阳极和阴极的离子交换膜。本专利技术中的电解槽可以为不设置离子交换膜的单槽形式，也可以采用将阳极和阴极通过离子交换膜隔开的多槽形式；可根据实际处理情况灵活选用。
[0009]作为优选，电解槽出水端一侧的底部和电解槽进水端一侧的顶部通过内循环管路连通，内循环管路上位于电解槽出水端的一侧设有一级提升泵。本专利技术在电解槽上设置内循环管路，可通过电解槽内废水的内循环增强电极/电解液之间界面有效接触时间和传质效用，从而提升氨氮降解效用。
[0010]作为优选，调节池和电解槽之间的输液管路上设有进水泵；电解槽和储水箱之间的输液管路上设有二级提升泵。
[0011]作为优选，电解槽为柱状电解槽或方形电解槽。
[0012]作为优选，所述的外部电源为直流稳压器，有效电压0～200V，有效电流0～20A。
[0013]作为优选，所述的阳极与阴极形状可为圆形、矩形或柱状；所述的阳极和阴极的表面积比值为0.1～100；阳极中所述的双金属位点单原子催化剂的负载量为0.001～10mg/cm2。
[0014]作为优选，阳极中的导电基底选自碳纸、碳纤维纸、碳布、碳纤维布、石墨毛毡、泡沫镍、泡沫铜、钛板、硼掺杂金刚石薄膜、钌铱电极板、DSA电极、导电玻璃中的一种。
[0015]作为优选，所述的双金属位点单原子催化剂的制备方法包括以下步骤：(A)将柠檬酸盐在惰性气氛下热解，用酸溶液和水依次洗涤并烘干后得到有序多孔碳载体；(B)将有序多孔碳载体、金属盐M1、金属盐M2和葡萄糖混合研磨，得到混合物料；然后再将混合物料与氮源混合，再次研磨得到前驱体；(C)将步骤(B)得到的前驱体置于惰性气氛下热解，冷却后研磨得到所述的双金属
位点单原子催化剂。
[0016]通常，氨氧化反应(AOR)存在两种机制，一是O
‑
S机制：*NH3逐渐脱氢形成N物种，然后二聚为N2，期间*N极易过氧化形成有毒副产物，如NO2‑
和NO3‑
；二是G
‑
M机制：*NH3脱氢为*NH2，*NH
x
和*NH
y
二聚形成*N2H
x+y
，然后一步脱氢形成N2。现有的电化学氨氧化过程中一般采用的是纳米金属催化剂，但纳米级金属催化剂由各种不同粒径的纳米颗粒和亚纳米簇组成，具有不同的晶面和顶点等多个活性位点，多样性表达的位点很难保证*N2H
x+y
这种肼类似物的形成，因而AOR反应一般按照O
‑
S机制进行，诱发过多的副反应发生。因此，现有的纳米级金属催化剂用于电催化氨氧化反应时，氮气选择性和法拉第效率低下，NO2‑
、NO3‑
等有毒副产物生成较多，无法实现全脱氮的效果。
[0017]本专利技术使用双金属位点单原子催化剂作为阳极催化剂，其具有原子高度分散的分布特征，这种均一的位点允许催化剂实现极高的氮气选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，包括依次通过输液管路（9）连接的调节池（1）、电解槽（2）及储水箱（11）；所述的电解槽（2）内设有阳极（4）和阴极（5），所述阳极和阴极分别通过导线（10）与外部电源（3）连接；所述的阳极包括导电基体及负载在导电基体上的双金属位点单原子催化剂；所述的阴极选自Pt电极、Cu电极、不锈钢电极、石墨电极、镍电极中的一种。2.根据权利要求1所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，所述的电解槽（2）内设有用于分隔阳极（4）和阴极（5）的离子交换膜（12）。3.根据权利要求1或2所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，电解槽出水端一侧的底部和电解槽进水端一侧的顶部通过内循环管路（13）连通，内循环管路上位于电解槽出水端的一侧设有一级提升泵（7）；调节池（1）和电解槽（2）之间的输液管路（9）上设有进水泵（6）；电解槽（2）和储水箱（11）之间的输液管路（9）上设有二级提升泵（8）。4.根据权利要求1所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，所述的外部电源（3）为直流稳压器，有效电压0~200 V，有效电流0~20 A。5.根据权利要求1所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，所述的阳极（4）和阴极（5）的表面积比值为0.1~100；阳极中所述的双金属位点单原子催化剂的负载量为0.001~10 mg/cm2。6.根据权利要求1或5所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，阳极中的导电基底选自碳纸、碳纤维纸、碳布、碳纤维布、石墨毛毡、泡沫镍、泡沫铜、钛板、硼掺杂金刚石薄膜、钌铱电极板、DSA电极、导电玻璃中的一种。7.根据权利要求1或5所述的一种氨氮废水电化学氧化全脱氮的装置，其特征是，所述的双金属位点单原子催化剂的制备方法包括以下步骤：（A）将柠檬酸盐在惰性气氛下热解，用酸溶液和水依次洗涤并烘干后得到有序多孔碳载体；（B）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧敏，周娈琪，王海龙，李启明，张萌，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：