CN106277232A - 一种去除水中少量氮和磷的电化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电容器应用和水处理领域,一种去除水中少量氮和磷的电化学方法，其特征是该方法包括以下步骤：1)将2片电极分别压在2片集流体上，组装成电化学去除氮磷装置；2)在两个电极之间施加直流电场，在两个电极之间含有少量氮或磷污染物的水发生流动,由于电场的作用，水中氮、磷污染物分别向带相反电荷的电极移动,被该电极通过电吸附的方式进行储存；3)当电极上氮或磷的吸附过程结束后，将电场取消或者施加反向电场，使被吸附的氮或磷污染物快速释放出来。利用此电化学方法对水中含有的氮、磷元素进行去除，不仅简单方便、氮磷去除效率高，实用性强，而且去除的氮、磷还具有良好的循环使用价值。
Description
技术领域
本发明属于水处理和电容器技术领域，具体涉及一种对含有少量氮或磷污染物的水进行高效去除的电化学方法，具体是一种去除水中少量氮和磷的电化学方法，该方法具有快速、节能、成本低、不产生二次污染的优点。
研究背景
随着社会的发展，人口的不断增长，人均占有的水资源量越来越少，另一方面，工业、生活污水的任意排放也使得可饮用水受到污染，从而进一步加剧了水资源短缺的状况。由于科技的进步，现在农业生产过程中使用了大量的化肥，日常生活中含磷洗衣粉等的使用、人畜的粪便的排放等，使水中含有大量的氮、磷污染物，导致水体富营养化，破坏人类的生存环境，因此，寻找合适的方法对水中的污染物进行处理成为了急需解决的问题。为了解决这一问题，相继出现了污水一级处理和污水二级处理工艺。污水一级处理是经过简单的沉淀、过滤、调整pH值进行水处理的工艺过程，但是经过该处理后的效果并不理想，不能达到去除氮、磷污染物的目的。因此，就产生了在一次处理之后进行污水的二级处理，二级处理主要是进行生物处理过程(例如中国发明专利申请号CN201010192015.4，发明人：王发珍等，名称：“城市污水中氮磷的处理系统及方法”，申请日期：2010.05.26；专利号CN201480014545.6；发明人:普斯克·雷格米等，名称：“用于废水中最大化脱氮的方法和装置”，申请日期：2014.03.14)以及化学方法来处理环境中的氮、磷污染物(例如专利号：201510921344.0，发明人：陈杰，名称:“一种农村污水的脱氮处理方法”，申请日期：2015.12.04)。然而，经过二级处理后的污水虽然可以达到农灌水的要求和废水排放标准，但是在一定条件下仍会造成天然水体的污染。因此，为了进一步提升水处理的质量，对二级处理之后水中含有的少量氮、磷、有机物、矿物质等进行更深层次的处理，应运而生了许多的水处理方法，比如离子交换法、反渗透法、电渗析法等。经过这一步骤的处理，污水便可以回收利用于生活和生产，既充分利用水资源又净化环境，但是深层次处理方法所需要的成本都很昂贵，因而使其发展和推广受到了限制。
考虑到简单、方便、投资耗能这些方面，迫切需要高效、低成本的有效去除氮磷的方法；如果能够将去除的氮磷进行进一步回收，将大大提升去除方法的经济价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除水中少量氮和磷的电化学方法，是一种对含有少量氮或磷污染物的水进行高效去除的电化学方法。该方法简单、有效、节能、环保，不仅能够高效地去除水中含有的少量的氮磷污染物，而且所去除的氮磷污染物可以作为肥料回收，不产生二次污染。
本发明的技术方案如下：
一种去除水中少量氮和磷的电化学方法，其特征是该方法包括以下步骤：
1)将2片电极分别压在2片集流体上，组装成电化学去除氮磷装置；
2)在两个电极之间施加直流电场，在两个电极之间含有少量氮或磷污染物的水发生流动,由于电场的作用，水中氮、磷污染物分别向带相反电荷的电极移动,被该电极通过电吸附的方式进行储存；
3)当电极上氮或磷的吸附过程结束后，将电场取消或者施加反向电场，使被吸附的氮或磷污染物快速释放出来，从而实现含氮、磷污染物的水处理，同时实现氮、磷元素的回收利用。
所述的电极由具有电吸附性能的活性材料、导电剂和粘合剂组成。
所述的活性材料包括活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳气凝胶、石墨烯、介孔碳，或者是其它赝电容型的电极材料，包括二氧化锰、二氧化钌；或者是上述材料的混合物、复合物或者改性物。
所述的导电剂包括炭黑、石墨，或者是上述的混合物。
所述的粘合剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素、甲基丙烯酸及其酯类的均聚物或共聚物或者它们的混合物、复合物。
所述的氮、磷污染物包括氨根离子、有机胺、磷酸根离子、磷酸氢根离子、磷酸二氢根离子、有机磷或者它们的混合物。
所施加的直流电场电压为0.2V-2V。
所述在两个电极之间施加的反向电场的电压为0.2V-2V。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种比传统生物、化学方法简单、便捷的氮磷去除方法。本发明中所使用电极材料均为高比电容电极材料，拥有大的比表面积、优异的导电性能，因此具有高效的除氮、除磷效果，并且具有良好的经济循环性。
本发明的去除水中少量氮和磷的电化学方法，该方法解决了传统一级、二级水处理方法无法解决的水中少量污染物的去除的问题，同时，也克服了反渗透、离子交换方法等方法因为成本高而无法推广使用的缺点，利用具有良好导电性并且拥有高比电容的电极材料，将电化学方法应用到水处理中，具有很好的脱盐效果，简单便捷并且易于实施。
附图说明
图1是本发明的实施例的电化学去除氮磷装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图将通过具体的实施例对本发明进行说明。
实施例1
如图1，将活性炭、乙炔黑、PTFE以8:1:1的比例混合制作成电极片(2cm×2cm)，两块电极片的质量大概在0.1g左右，将电极片压在集流体上，然后组装成电化学去除氮磷装置，两块极片之间保持一定的距离，便于含氮磷的水通过，其装置示意于图1。
给两块施加1.5V的直流电压，含有8.65mg/g硝酸根离子、2.805mg/g铵根离子、5.813mg/g磷酸一氢根离子或者2.604mg/g磷酸二氢根离子的水以3mL/min从两块电极之间的空间通过，结果发现这些含氮或者磷的元素全部被吸附了。
然后才有1.5V的反向电压降这些含氮磷的元素释放出来，进行收集，以作为今后的氮肥或者磷肥。采用该方法进行了多次反复去除氮磷，结果发现去除效果没有衰减，部分数据示于表1中。
实施例2
分别制作活性炭、石墨烯电极片。将活性炭、乙炔黑、PTFE以8:1:1的比例混合制作成电极片(2cm×2cm)，将石墨烯、乙炔黑、PTFE以8:1:1的比例混合制作成电极片(2cm×2cm)。
本实施例中的两个电极的一个为活性炭电极，另外一个为石墨烯电极，每片电极片的质量在0.05g，将电极片压在集流体上，后组装成电化学去除氮磷装置，两块极片之间保持一定的距离，便于含氮磷的水通过。给两块施加1.7V的直流电压，含有9.01mg/g硝酸根离子、3.812mg/g铵根离子、6.324mg/g磷酸一氢根离子或者3.112mg/g磷酸二氢根离子的水以3mL/min从两块电极之间的空间通过，结果发现这些含氮或者磷的元素全部被吸附了。
然后才有1.7V的反向电压降这些含氮磷的物质释放出来，进行收集，以作为今后的氮肥或者磷肥。采用该方法进行了多次反复去除氮磷，结果发现去除效果没有衰减，部分数据示于表1中。
表1实施例中去除氮磷的效果
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种去除水中少量氮和磷的电化学方法，其特征是该方法包括以下步骤：
1)将2片电极分别压在2片集流体上，组装成电化学去除氮磷装置；
2)在两个电极之间施加直流电场，在两个电极之间含有少量氮或磷污染物的水发生流动,由于电场的作用，水中氮、磷污染物分别向带相反电荷的电极移动,被该电极通过电吸附的方式进行储存；
3)当电极上氮或磷的吸附过程结束后，将电场取消或者施加反向电场，使被吸附的氮或磷污染物快速释放出来，从而实现含氮、磷污染物的水处理，同时实现氮、磷元素的回收利用。
2.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于所述的电极由具有电吸附性能的活性材料、导电剂和粘合剂组成。
3.根据权利要求3所述的电化学方法，其特征在于所述的活性材料包括活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳气凝胶、石墨烯、介孔碳，或者是其它赝电容型的电极材料，包括二氧化锰、二氧化钌；或者是上述材料的混合物、复合物或者改性物。
4.根据权利要求3所述的电化学方法，其特征在于所述的导电剂包括炭黑、石墨，或者是上述的混合物。
5.根据权利要求3所述的电化学方法，其特征在于所述的粘合剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素、甲基丙烯酸及其酯类的均聚物或共聚物或者它们的混合物、复合物。
6.根据权利1-6中任何一项所述的电化学方法，其特征在于所述的氮、磷污染物包括氨根离子、有机胺、磷酸根离子、磷酸氢根离子、磷酸二氢根离子、有机磷或者它们的混合物。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的电化学方法，其特征在于所施加的直流电场电压为0.2V-2V。
8.如权利1-6中任何一项所述的电化学方法，其特征在于所述在两个电极之间施加的反向电场的电压为0.2V-2V。
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