一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法

技术领域

本发明涉及资源回收技术领域，特别涉及一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法。

背景技术

氨（NH

相比于传统氨氮回收方法如鸟粪石沉淀法、气提法等，电化学技术具有操作简单、可控性强、经济适用、反应条件温和等优势。近年来，电化学分离在氨回收领域越来越受欢迎，它可以通过原位电化学反应将NH

然而，现有的电化学氨回收技术皆采用恒流充电模式，通过电解水在阴极产生OH

因此，开发一种更加有效的氨氮回收方法具有重要意义和应用前景，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法，旨在解决传统电化学反应器回收氨氮所面临的回收率较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，包括n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，所述阳极液流通室和阴极液流通室依次堆叠，n为大于等于2的整数；

位于最左侧的阳极液流通室的两侧由左侧端板和阴离子交换膜密封，内部设置有阳极导流板以及设置在阳极导流板上的多孔阳极；位于中间的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜和阴离子交换膜密封，内部设置有阳极导流板以及设置在阳极导流板上的多孔阳极；位于最右侧的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜和右侧端板密封，内部设置有阳极导流板；

所述阴极液流通室的两侧由阴离子交换膜和疏水性气膜密封，内部设置有阴极导流板以及设置在阴极导流板上的多孔阴极；

所述左侧端板的上端和下端分别设置有阳极液进液口和阴极液进液口，所述右侧端板的下端和上端分别设置有阳极液出液口和阴极液出液口，阳极液从所述阳极液进液口进入阳极液流通室循环流通，最后从阳极液出液口流出，阴极液从所述阴极液进液口进入阴极液流通室单侧流动，最后从阴极液出液口流出；

所述多孔阳极通过第一外接金属导线与加载脉冲电场的外部直流电源正极连接，所述多孔阴极通过第二外接金属导线与加载脉冲电场的外部直流电源负极连接。

所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述阳极导流板、阴离子交换膜、阴极导流板以及疏水性气膜之间均设置有硅胶垫片。

所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述多孔阳极为钌铱多孔金属网、钌钽多孔金属网、铱钽多孔金属网中的任意一种，多孔阳极的编织密度为30-300目；所述多孔阴极为碳布、多孔金属网和多孔泡沫金属中的任意一种，多孔阴极的编织密度为30-300目。

所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述疏水性气膜的材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的任意一种。

一种基于加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其中，包括步骤：

将待处理的阴极液从阴极液进液口输入，将阳极液从阳极液进液口输入，所述阴极液和阳极液在各自的流道内独立流动，互不混合；

控制外部直流电源输出脉冲电流，使得阴极液通过阴极液流通室的过程中，NH

所述的氨回收方法，其中，所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为20−7000 mg/L。

所述的氨回收方法，其中，所述阳极液为自来水或为自来水中添加0-1 M的硫酸、盐酸、硝酸、碳酸和磷酸中的任意一种。

所述的氨回收方法，其中，所述外部直流电源提供的电流密度为10-100 A m

所述的氨回收方法，其中，所述阳极液在阳极液流通室内的停留时间为10-60min。

所述的氨回收方法，其中，所述阴极液在阴极液流通室内的停留时间为20-120min。

有益效果：本发明提供的堆栈式电化学氨回收装置，通过将设置有多孔阳极的阳极导流板、阴离子交换膜、设置有多孔阴极的阴极导流板、疏水性气膜的重复堆叠和组装，构建n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，实现污水中资源的定向转化与分馏提纯，同步达到污水处理再生与资源化的目的。本发明基于堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，脉冲电场被用于调节和改变电解反应过程中电极的行为，特别是对电流涡旋的发展和pH的演变产生影响，通过合理设置脉冲电流的脉冲占空比和时间，削弱由于阴极析氢反应产生的大量氢气对氨气的吹扫作用，避免造成氨的流失和二次环境污染；同时可保证氨氮的去除率>99%，回收率>98%，极大的提高电化学回收氨的高效性和经济性，促进电化学资源回收领域的发展。

附图说明

图1为本发明实施例用于堆栈式电化学氨回收装置结构示意图。

图2为本发明实施例用于堆栈式电化学氨回收装置内部的电极液流方向示意图。

图3为本发明实施例用于堆栈式电化学氨回收装置的实物图。

图4为实施例1中脉冲电场模式下的运行参数（包括电压、电流和pH）。

图5为对比例1中恒流充电模式下的运行参数（包括电压、电流和pH）。

图6为实施例1脉冲电场模式下和对比例1中恒流充电模式下的氨氮回收率结果对比图。

附图标记：1、左侧端板，1’、右侧端板，2、阳极导流板，2’、阴极导流板，3、多孔阳极，4、导流衬网，5、多孔阴极，6、阴离子交换膜，7、疏水性气膜，8、阳极液进液口，9、阴极液进液口，10、阳极液出液口，11、阴极液出液口，12、第一外接金属导线，13、第二外接金属导线。

具体实施方式

本发明提供一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-图3，本发明提供了一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，如图所示，其包括n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，所述阳极液流通室和阴极液流通室依次堆叠，n为大于等于2的整数；位于最左侧的阳极液流通室的两侧由左侧端板1和阴离子交换膜6密封，内部设置有阳极导流板2以及设置在阳极导流板2上的导流衬网4和多孔阳极3；位于中间的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜7和阴离子交换膜6密封，内部设置有阳极导流板2以及设置在阳极导流板2上的导流衬网4和多孔阳极3；位于最右侧的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜7和右侧端板1’密封，内部设置有阳极导流板2以及设置在阳极导流板2上的导流衬网4；

所述阴极液流通室的两侧由阴离子交换膜6和疏水性气膜7密封，内部设置有阴极导流板2’以及设置在阴极导流板2’上的导流衬网4和多孔阴极5；

所述左侧端板1的上端和下端分别设置有阳极液进液口8和阴极液进液口9，所述右侧端板的下端和上端分别设置有阳极液出液口10和阴极液出液口11，阳极液从所述阳极液进液口8进入阳极液流通室循环流通，最后从阳极液出液口10流出，阴极液从所述阴极液进液口9进入阴极液流通室单侧流动，最后从阴极液出液口11流出；

所述多孔阳极3通过第一外接金属导线12与加载脉冲电场的外部直流电源正极连接，所述多孔阴极5通过第二外接金属导线13与加载脉冲电场的外部直流电源负极连接。

在本发明中，所述左侧端板和右侧端板的材质为在pH=1−13范围内化学性质稳定的绝缘材料，作为举例，所述左侧端板和右侧端板的材质可以为亚克力板。在本发明中，设置有导流衬网和多孔阳极的阳极导流板、阴离子交换膜、设置有导流衬网和多孔阴极的阴极导流板，以及疏水性气膜依次重复排列构成n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，相邻的阳极液流通室和阴极液流通室之间共用同一块阴离子交换膜或阴极导流板；为防止阳极液流通室和阴极液流通室之间发生短流，所述阳极导流板、阴离子交换膜、阴极导流板以及疏水性气膜之间均设置有硅胶垫片，且堆栈式电化学氨回收装置的最外部通过亚克力端板和螺栓进行密封，如图3所示。

在本发明中，所述多孔阳极为钌铱多孔金属网、钌钽多孔金属网、铱钽多孔金属网中的任意一种，多孔阳极的编织密度为30-300目；所述多孔阴极为碳布、多孔金属网和多孔泡沫金属中的任意一种，多孔阴极的编织密度为30-300目。

在本发明中，所述疏水性气膜的材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的任意一种，但不限于此。

本发明对外部直流电源没有特殊限制，可以控制电流密度的任何直流电源或电化学工作站均可；采用钌铱钛丝作为第一外接金属导线和第二外接金属导线，防止阳极高电位氧化金属导线。

本发明对阴离子交换膜、硅胶垫片和导流衬网均没有特殊限制，市售或自制研发的具备相应功能的均可。本发明阳极导流板和阴极导流板之间使用阴离子交换膜分隔，使用阳离子交换膜或不使用离子膜会导致氨回收率显著下降。

本发明提供的堆栈式电化学氨回收装置，通过将设置有导流衬网和多孔阳极的阳极导流板、阴离子交换膜、设置有导流衬网和多孔阴极的阴极导流板、疏水性气膜的重复堆叠和组装，构建n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，实现污水中资源的定向转化与分馏提纯，同步达到污水处理再生与资源化的目的。本发明基于堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，脉冲电场被用于调节和改变电解反应过程中电极的行为，特别是对电流涡旋的发展和pH的演变产生影响，通过合理设置脉冲电流的脉冲占空比和时间，削弱由于阴极析氢反应产生的大量氢气对氨气的吹扫作用，避免造成氨的流失和二次环境污染；同时可保证氨氮的去除率>99%，回收率>98%，极大的提高电化学回收氨的高效性和经济性，促进电化学资源回收领域的发展。

本发明还提供一种基于加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其包括步骤：

S10、将待处理的阴极液从阴极液进液口输入，将阳极液从阳极液进液口输入，所述阴极液和阳极液在各自的流道内独立流动，互不混合；

在本实施例中，所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为20−7000 mg/L，例如可以是20mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、500mg/L、1000mg/L、2000mg/L、3000mg/L、4000mg/L、5000mg/L、6000mg/L、7000mg/L，更优选为300 − 4000 mg/L，本发明尿液的氨氮浓度以N元素计；所述阳极液为自来水或为自来水中添加0-1 M的硫酸、盐酸、硝酸、碳酸和磷酸中的任意一种。在本实施例中，所述阴极液从阴极液进液口输入，流经阴极液流通室后从阴极出液口流出，所述阳极液从阳极液进液口输入，流经阳极液流通室后从阳极出液口流出。

S20、控制外部直流电源输出脉冲电流，使得阴极液通过阴极液流通室的过程中，NH

在本实施例中，外部直流电源输出脉冲电流，在阴极液通过阴离子交换膜和疏水性气膜组成的阴极液流通室过程中，NH

在本实施例中，当外部直流电源通电时，由于电化学反应使得阳极区pH下降，阴极区pH上升；当外部直流电源放电时，由于H

也就是说，本实施例可通过加载脉冲电场调控阴极区的pH值，削弱由于阴极析氢反应产生的大量氢气泡对氨气的吹扫作用，减少氨的流失和二次环境污染，实现了电化学回收氨氮的经济性和高效性。

在一些实施方式中，所述外部直流电源提供的电流密度为10-100 A m

在一些实施方式中，所述阳极液在阳极液流通室内的停留时间为10-60min，例如可以是10min、20min、40min、60min，更优选为10−30 min，阳极液采用循环流动，将氨在阳极进行富集。所述阴极液在阴极液流通室内的停留时间为20-120min。例如可以是20min、40min、60min、120min，更优选为50−100 min，阴极液采用连续流动。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的解释说明：

实施例1

一种基于加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其包括步骤：

1、将待处理的阴极液从阴极液进液口输入，将阳极液从阳极液进液口输入，所述阴极液和阳极液在各自的流道内独立流动，互不混合；所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为4000 mg/L；所述阳极液为自来水。

2、如图4所示，控制外部直流电源输出脉冲电流，设定外部直流电源提供的电流密度为80 A m

对比例1

一种基于恒流充电模式下的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其包括步骤：

1、将待处理的阴极液从阴极液进液口输入，将阳极液从阳极液进液口输入，所述阴极液和阳极液在各自的流道内独立流动，互不混合，所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为4000 mg/L；所述阳极液为自来水；

2、如图5所示，控制外部直流电源输出恒定电流，设定外部直流电源提供的电流密度为53.33 A m

通过实施例1和对比例1的方法计算氨氮回收率，其结果如图6所示，从图6可以看出不同电流强度的脉冲电场和恒定电场，消耗同等能耗，脉冲电场的氨氮回收率提高20％。原因在于脉冲电场间歇性充放电对电流涡旋的发展和pH的演变产生重要影响，避免长时间充电持续产氢，削弱氢气泡对氨的吹扫作用，减少氨氮的流失，避免二次环境污染。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。