CN111186884B - 一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置。整体多通道电极可以为具有微米级竖直连通通道的电极，并且电极可以负载催化剂，催化剂的种类、含量和分布可调节；也可以由具有微米或纳米通道的电极经水平、竖直或任意叠加组成。可将多个电极组串联或并联构成一套水处理装置。本发明的优势在于硝酸盐污染物先经过整体多通道电极，硝酸盐的降解被限制在纳米反应空间，电荷传递及物质传递更充分，产生的中间产物与接触阳极被进一步的降解；同时整体多通道电极和对电极为不对称结构，控制阳极产物的生成；该装置具有结构和操作简单、占地面积小、成本和能耗低、使用寿命长的特点。

Description

一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置
技术领域
本发明提供了一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置。
背景技术
海水养殖废水中因存在大量的残饵、排泄物以及养殖过程中投加的抗生素、激素等残余化学药使其含有大量的有机污染物、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷和悬浮颗粒物等。海水养殖废水因高盐环境难以利用传统生物处理法对硝酸盐等进行降解，而离子交换法和反渗透法需要对浓水进行进一步的处理，硝酸根离子的电催化转化被证明是一种更有效、更环保的方法。
电催化过程能原位还原硝酸盐为氨或氮气，阴极还原产生的中间产物可以利用阳极产生的次氯酸进一步降解产生氮气，阴极和阳极共同作用提高电化学反应器处理硝酸盐的能力。本发明是制作一种流通式电化学还原硝酸盐的水处理装置，构建不对称电极结构，调节整体多通道阴极和对电极对硝酸盐还原为氮气的作用。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，设计了电极尺寸、孔径、催化剂负载量和排列方式可调，电极组可并联可串联的流通式电化学还原硝酸盐水处理装置，该装置中电极材料可以为具有微米级竖直连通通道的整体电极也可以为具有微米和纳米级孔道的电极进行水平或者竖直堆叠。除此之外，在反应装置中水流从先经过阴极再流过阳极，阴极产生的中间产物与阳极接触被进一步降解，同时阴极和阳极为不对称结构，调控阳极产物的产量，防止产物过多，发生危险。
本发明的技术方案：
一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，主要由法兰1、布水槽2、电极夹3、整体多通道电极接线柱4、整体多通道电极5、对电极接线柱6、对电极7、电极卡槽8、装置外壳9、承重板10、装置顶盖11、密封垫12和连通管13组成；
所述的装置外壳9和装置顶盖11通过法兰1和密封垫12配合密封为水处理装置的外部壳体；装置外壳9底部设置有进水口和出水口，进水口位于整体多通道电极5的下方，出水口靠近对电极7的侧面；装置顶盖11上开有排气口14；装置顶盖11上设有整体多通道电极接线柱4和对电极接线柱6；
所述的整体多通道电极5和对电极7由承重板10和电极卡槽8配合固定在外部壳体内，电极卡槽8起到调节整体多通道电极5和对电极7间距的作用；对电极7位于电极卡槽8内，整体多通道电极5置于承重板10上；整体多通道电极5和对电极7之间的空腔即为布水槽2，二者与装置外壳9底部存在缝隙；
所述的整体多通道电极接线柱4和对电极接线柱6伸入至外部壳体内，对电极接线柱6与对电极7相连接，整体多通道电极接线柱4通过电极夹3与整体多通道电极5相连接；
所述的进水口和出水口处连接有连通管13。
污染物先由连通管13流入整体多通道阴极5，然后进入布水槽2与对电极7接触，避免中间产物被对电极7氧化。
所述的水处理装置内安装一对或多对整体多通道电极5和对电极7；整体多通道电极5和对电极7构成不对称电极结构，整体多通道电极5的厚度、长度或体积大于对电极7。
所述的整体多通道电极(5)为自身具有微米级或毫米级竖直连通通道的电极材料，或为具有纳米级或微米级通道的电极材料经过水平、竖直或任意堆叠构成的。
所述的整体多通道电极5材料负载对硝酸盐还原具有催化作用的催化剂，可调节催化剂的配比、在电极材料上的排布。
在整体多通道电极腔体15内填充不导电材料调节整体多通道电极5体积。
本发明的有益效果：实现在高盐环境下对硝酸盐的还原，不对称电极结构提高硝酸盐还原为氮气的选择性，整体多通道电极结构强化电子和污染物的传质，从而提高污染物的降解效果，而且其结构简单，易于控制及制备，占地面积小、成本和能耗低，有望实现对硝酸盐废水的大规模处理。
附图说明
图1为本发明一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置实施方式1示意图；
图2为本发明一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置实施方式2示意图。
图中：1法兰；2布水槽；3电极夹；4整体多通道电极接线柱；5整体多通道电极；6对电极接线柱；7对电极；8电极卡槽；9装置外壳；10承重板；11装置顶盖；12密封垫；13连通管；14排气口；15整体多通道电极腔体。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步详细说明本发明的具体实施步骤。
实施例1
如图1所示，本实施方式所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，该电化学水处理装置由法兰1、布水槽2、电极夹3、整体多通道电极接线柱4、整体多通道电极5、对电极接线柱6、对电极7、电极卡槽8、装置外壳9、承重板10、装置顶盖11、密封垫12、连通管13、排气口14和整体多通道电极腔体15组成。在此种结构下，整体多通道电极作为阴极，可为具备本发明要求的负载钯和铜的整体多通道多孔碳电极，如木头碳材料、发酵多孔碳等；海水养殖废水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例2
根据实施例1所述的流通式反应器装置，硝酸盐含量超标的苦咸水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例3
如图1所示，本实施方式所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，该电化学水处理装置由法兰1、布水槽2、电极夹3、整体多通道电极接线柱4、整体多通道电极5、对电极接线柱6、对电极7、电极卡槽8、装置外壳9、承重板10、装置顶盖11、密封垫12、连通管13、排气口14和整体多通道电极腔体15组成。在此种结构下，整体多通道电极可为具备本发明要求的负载钯和铜的碳毡电极，将制备的电极材料经过堆叠作为阴极；海水养殖废水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例4
根据实施例3所述的流通式反应器装置，硝酸盐含量超标的苦咸水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例5
如图1所示，本实施方式所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，该电化学水处理装置由法兰1、布水槽2、电极夹3、整体多通道电极接线柱4、整体多通道电极5、对电极接线柱6、对电极7、电极卡槽8、装置外壳9、承重板10、装置顶盖11、密封垫12、连通管13、排气口14和整体多通道电极腔体15组成。在此种结构下，整体多通道电极作为阴极，可为具备本发明要求的铁网或铁泡沫电极；海水养殖废水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例6
根据实施例5所述的流通式反应器装置，硝酸盐含量超标的苦咸水先经过阴极材料，后与阳极金属材料接触，阴极降解硝酸盐产生氮气和中间产物，中间产物进一步被被阳极产生的次氯酸降解产生氮气；在这种电极结构为不对称电极的形式下，控制阳极氯气的产量，同时多余的气体由出气口排入大气。
实施例7
如图2所示，根据实施例1到实施例6所述流通式水处理装置和处理的污染物的种类，流通式反应器装置结构可以为电极组串联的形式。

Claims (5)

1.一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其特征在于，该流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置主要由法兰(1)、布水槽(2)、电极夹(3)、整体多通道电极接线柱(4)、整体多通道电极(5)、对电极接线柱(6)、对电极(7)、电极卡槽(8)、装置外壳(9)、承重板(10)、装置顶盖(11)、密封垫(12)和连通管(13)组成；
所述的装置外壳(9)和装置顶盖(11)通过法兰(1)和密封垫(12)配合密封为水处理装置的外部壳体；装置外壳(9)底部设置有进水口和出水口，进水口位于整体多通道电极(5)的下方，出水口靠近对电极(7)的侧面；装置顶盖(11)上开有排气口(14)；装置顶盖(11)上设有整体多通道电极接线柱(4)和对电极接线柱(6)；
所述的整体多通道电极(5)和对电极(7)由承重板(10)和电极卡槽(8)配合固定在外部壳体内，电极卡槽(8)起到调节整体多通道电极(5)和对电极(7)间距的作用；对电极(7)位于电极卡槽(8)内，整体多通道电极(5)置于承重板(10)上；整体多通道电极(5)和对电极(7)之间的空腔即为布水槽(2)，二者与装置外壳(9)底部存在缝隙；
所述的整体多通道电极接线柱(4)和对电极接线柱(6)伸入至外部壳体内，对电极接线柱(6)与对电极(7)相连接，整体多通道电极接线柱(4)通过电极夹(3)与整体多通道电极(5)相连接；
所述的进水口和出水口处连接有连通管(13)；
污染物先由连通管(13)流入整体多通道阴极，然后进入布水槽(2)与对电极(7)接触，避免中间产物被对电极(7)氧化；
所述的整体多通道电极(5)为自身具有微米级或毫米级竖直连通通道的电极材料，或为具有纳米级或微米级通道的电极材料经过水平、竖直或任意堆叠构成的。
2.根据权利要求1所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其特征在于，所述的水处理装置内安装一对或多对整体多通道电极(5)和对电极(7)；整体多通道电极(5)和对电极(7)构成不对称电极结构，整体多通道电极(5)的厚度、长度或体积大于对电极(7)。
3.根据权利要求1或2所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其特征在于，所述的整体多通道电极(5)材料负载对硝酸盐还原具有催化作用的催化剂，可调节催化剂的配比、在电极材料上的排布。
4.根据权利要求1或2所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其特征在于，在整体多通道电极腔体(15)内填充不导电材料调节整体多通道电极(5)体积。
5.根据权利要求3所述的流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其特征在于，在整体多通道电极腔体(15)内填充不导电材料调节整体多通道电极(5)体积。
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