CN111378984B - 一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法 - Google Patents

一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法，属于水处理技术领域。该装置包括电解槽、阴极电极板、阳极电极板、阴离子膜、阴极进料口、阳极进料口、洗气瓶和气袋；阴离子膜固定在阳极室和阴极室之间,将电解槽内部空间分隔成阳极室和阴极室；阳极室和阴极室的上部分别设置有进料口和出气口；阳极出气口接气袋，阴极出气口接装满水的洗气瓶。本装置结构合理，可有效利用氯化铵，防止氯气与铵离子接触爆炸，电解效率高。

Description

一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别是指一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法。
背景技术
现行的稀土氧化物生产工艺中,需要把矿石中的稀土元素经过硫酸浸出，再经一系列转化形成氯化稀土，向氯化稀土溶液中加入沉淀剂碳酸氢铵，经过沉淀分离，形成碳酸稀土，而在沉淀和洗涤过程中形成大量含有高浓度的氯化铵废水。碳酸稀土沉淀废水中氯化铵的浓度在20～100g/L之间。稀土氨氮废水排放的主要危害，是造成水体富营养化，使水质下降，水体长达半年时间处于Ⅴ类或劣Ⅴ类状态。此外，氨氮可通过人体皮肤、呼吸道、消化道引起中毒，低浓度氨氮可引起喉炎，高浓度氨氮可引起支气管炎、肺炎、肺水肿，甚至昏迷、休克，如果溅入眼睛，会引起晶状体浑浊，甚至失明。然而，对于绝大多数稀土企业来讲，将这么高的氨氮含量降低到能够达标排放的标准，无疑是一种极大的挑战。
此外，在化肥、印刷、电镀等产品生产过程中也会产生以含氯化铵为主的废水，随着科学技术的发展，一些新工艺新技术开始应用到氯化铵废水的处理中来，有些给企业还带来较高的利益。目前主流处理方法包括以下几种：
吹脱法，其基本原理为：将气体通入水中，通过调高pH，使废水中铵离子转为游离氨，再用空气将游离氨吹脱成氨气回收利用，从而达到去除氨氮的目的。吹脱法适用于高浓度的氨氮废水处理，设备操作简单，但受pH值和温度影响较大，使用氢氧化钙提高溶液pH值，不但设备容易结垢，而且增加了废水处理成本，低温时氨氮去除效率低，而且吹脱处理的氨气进入大气会造成二次污染。
化学沉淀法是指通过沉淀剂与废水中的铵离子发生化学反应生成沉淀，从而去除废水中氨氮的方法。目前较常用的化学沉淀法是磷酸铵镁(MAP)法。其基本原理是利用废水中铵离子能够与镁离子和磷酸根离子反应生成MgNH4PO4沉淀(即MAP沉淀，也叫鸟粪石)，从而达到去除氨氮的目的。生成的MAP沉淀可作为缓释肥料回收利用。但该方法需使用如磷酸等化学药剂，价格较贵，因此处理费用高，生产企业难以接受，而且生成的MAP在市场上没有被大规模应用，销售较为困难。
离子交换法是一种利用吸附剂上可交换的阳离子能够与铵离子进行离子交换反应，已期达到降低废水中氨氮浓度的方法。常用的吸附剂有天然沸石、蒙脱土、粉煤灰、煤矸石、树脂等。离子交换法适合小于500mg/L低浓度氨氮废水的处理，对于高浓度的氨氮废水，由于吸附剂吸附的铵较多，其吸附能力会随着吸附的进行而降低，因而吸附剂需要频繁再生提高废水处理效率，而再生多次的吸附剂吸附效率会大幅下降，故要进行吸附剂更换，这就增大了生产工艺的复杂性，提高了生产成本。
蒸发浓缩是用加热方式蒸发废水，使氯化铵浓缩结晶。该工艺路线可回收冷却结晶后的高纯氯化铵固体，可作为本装置的反应原料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法，该装置结构合理，可有效防止氯气与铵离子接触爆炸，电解效率高。
该装置包括电解槽、阴极电极板、阳极电极板、阴离子膜、阴极进料口、阳极进料口、洗气瓶和气袋；阴离子膜固定在阳极室和阴极室之间，将电解槽内部空间分隔成阳极室和阴极室；阳极室一侧设置阳极电极板，阴极室一侧设置阴极电极板，阳极室的上部设置阳极进料口和阳极出气口，阴极室的上部设置阴极进料口和阴极出气口；阳极出气口通过硅胶管二接气袋，阴极出气口通过硅胶管一接装满水的洗气瓶，洗气瓶上设置出气的玻璃管。
其中，阴极电极板连接阴极板导线，阳极电极板连接阳极板导线。
阴离子膜包括阴离子膜本体与电解槽的法兰结构，法兰结构为框型结构，法兰结构由穿过电解槽侧壁和垫圈螺栓孔的电解槽固定螺栓和阴阳极室之间的密封垫圈构成，阴离子膜本体固定在法兰结构的密封垫圈之间。
阴极室与阳极室体积比为1-1.3。
阴极电极板和阳极电极板分别平行固定在电解槽的侧壁上，阴极电极板和阳极电极板均为钛镀氧化钌惰性电极，且尺寸相同。
应用该装置的方法，具体为：将高浓度氯化铵溶液从阴极进料口倒入阴极室，将配制的低浓度氯化钠溶液从阳极进料口倒入阳极室，将两进料口用胶塞密封；将阴极板导线和阳极板导线分别接直流电源阴极和阳极，进行恒流电解2.5-6h，阳极室获得的氯气用气袋收集，阴极室获得的氢气和氨气的混合气体通过洗气瓶后，分别得到氢气和稀氨水，同时在阴极室获得浓氨水。
其中，恒流电解的电流密度为30-50mA/cm3。
阴极室注入的低氯化钠浓度为3-10g/L，阳极室注入的高氯化铵浓度为80-120g/L。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)有效利用含氯化铵的高浓度废液和废渣，产生可用于消毒的氯气、次氯酸钠和氨水；
(2)阴离子膜可有效将阳极产生的氯气与阴极的铵离子阻隔，防止两者接触产生易爆炸的三氯化氮，且能有效分离阳极产生的氯气和阴极产生的氢气；
(3)反应速率可控，电解效率高。
附图说明
图1为本发明的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置结构示意图；
图2为本发明的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置中阴离子膜结构示意图；
图3为本发明的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置反应原理示意图。
其中：1-电解槽，2-阴极电极板，3-阴离子膜，4-阴极出气口，5-阴极板导线，6-电解槽固定螺栓，7-阳极出气口，8-阳极电极板，9-阳极板导线，10-洗气瓶，11-硅胶管一，12-玻璃管，13-硅胶管二，14-气袋，15-阴极进料口，16-阳极进料口，20-阴离子膜本体，21-密封垫圈，22-螺栓孔。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法。
如图1所示，该装置包括电解槽1、阴极电极板2、阳极电极板8、阴离子膜3、阴极进料口15、阳极进料口16、洗气瓶10和气袋14；阴离子膜3固定在阳极室和阴极室之间，将电解槽1内部空间分隔成阳极室和阴极室；阳极室一侧设置阳极电极板8，阴极室一侧设置阴极电极板2，阳极室的上部设置阳极进料口16和阳极出气口7，阴极室的上部设置阴极进料口15和阴极出气口4；阳极出气口7通过硅胶管二13接气袋14，阴极出气口4通过硅胶管一11接装满水的洗气瓶10，洗气瓶10上设置出气的玻璃管12。
其中，阴极电极板2连接阴极板导线5，阳极电极板8连接阳极板导线9。
如图2所示，阴离子膜3包括阴离子膜本体20与电解槽的法兰结构，法兰结构为框型结构，法兰结构由穿过电解槽侧壁和垫圈螺栓孔22的电解槽固定螺栓6和阴阳极室之间的密封垫圈21构成，阴离子膜本体20固定在法兰结构的密封垫圈21之间。
阴极室与阳极室体积比为1-1.3。
阴极电极板2和阳极电极板8分别平行固定在电解槽1的侧壁上，阴极电极板2和阳极电极板8均为钛镀氧化钌惰性电极，且尺寸相同。
应用该装置的方法，其特征在于：将高浓度氯化铵溶液从阴极进料口15倒入阴极室，将配制的低浓度氯化钠溶液从阳极进料口16倒入阳极室，将两进料口用胶塞密封；将阴极板导线5和阳极板导线9分别接直流电源阴极和阳极，进行恒流电解2.5-6h，阳极室获得的氯气用气袋14收集，阴极室获得的氢气和氨气的混合气体通过洗气瓶10后，分别得到氢气和稀氨水，同时在阴极室获得浓氨水。
在实际设计中，电解槽1的材质为有机玻璃等耐酸碱腐蚀材料。
该装置的反应原理如图3。阴极室中氯化铵溶液的氯离子可通过阴离子膜向阳极转移，而铵离子无法通过阴离子膜而留在阴极室。阳极室中低浓度氯化钠溶液起导电作用，氯化钠中的氯离子以及阴极室中转移来的氯离子一同在阳极板上反应生成氯气，从阳极产气口进入阳极产气收集装置；还有一部分氯气溶于水形成次氯酸钠。阴极室产气主要为氢气，还有一部分逸出的氨气，故用洗气装置洗涤，溶解氨气，生成的稀氨水也可用于吸收阳极产生的氯气，获得漂白液(次氯酸铵)出售。
阳极室发生反应：2Cl--2e-＝Cl2↑；2Na++Cl2+2OH-＝NaClO+NaCl+H2O
阴极室发生反应：2NH4 ++2e-+2H2O＝2NH3·H2O+H2↑
阴离子膜有效隔离阳极产生的氯气和阴极的铵离子，防止两者接触产生易爆炸的三氯化氮。且因用恒流电解，故反应速率可控，且实践证明电解效率较高。
实施例1
阴极溶液为20ml的120g/L氯化铵，阳极溶液分别为3、5、9g/L氯化钠溶液(20ml)，用0.3A恒电流(电流密度为37.5mA/cm3)电解3.5小时，计算反应器阳极室和阴极室总氯离子减少率，氯气产生量和次氯酸钠生成量，如表1所示。
表1
Figure GDA0002495087920000051
实施例2
阳极溶液为20ml的5g/L氯化钠，阴极溶液分别为80、100、120g/L氯化铵溶液(20ml)，用0.3A恒电流(电流密度为37.5mA/cm3)电解3.5小时，计算反应器阳极室和阴极室总氯离子减少率，氯气产生量和次氯酸钠生成量，如下页表2所示。
表2
Figure GDA0002495087920000061
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置，其特征在于：包括电解槽(1)、阴极电极板(2)、阳极电极板(8)、阴离子膜(3)、阴极进料口(15)、阳极进料口(16)、洗气瓶(10)和气袋(14)；阴离子膜(3)固定在阳极室和阴极室之间，将电解槽(1)内部空间分隔成阳极室和阴极室；阳极室一侧设置阳极电极板(8)，阴极室一侧设置阴极电极板(2)，阳极室的上部设置阳极进料口(16)和阳极出气口(7)，阴极室的上部设置阴极进料口(15)和阴极出气口(4)；阳极出气口(7)通过硅胶管二(13)接气袋(14)，阴极出气口(4)通过硅胶管一(11)接装满水的洗气瓶(10)，洗气瓶(10)上设置出气的玻璃管(12)；
所述阴极电极板(2)和阳极电极板(8)分别平行固定在电解槽(1)的侧壁上，阴极电极板(2)和阳极电极板(8)均为钛镀氧化钌惰性电极，且尺寸相同；
应用该装置的方法，具体为：将高浓度氯化铵溶液从阴极进料口(15)倒入阴极室，将配制的低浓度氯化钠溶液从阳极进料口(16)倒入阳极室，将两进料口用胶塞密封；将阴极板导线(5)和阳极板导线(9)分别接直流电源阴极和阳极，进行恒流电解2.5-6h，阳极室获得的氯气用气袋(14)收集，阴极室获得的氢气和氨气的混合气体通过洗气瓶(10)后，分别得到氢气和稀氨水，同时在阴极室获得浓氨水；
所述恒流电解的电流密度为30-50mA/cm3；
所述阴极室注入的低氯化钠浓度为3-10g/L，阳极室注入的高氯化铵浓度为80-120g/L。
2.根据权利要求1所述的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置，其特征在于：所述阴极电极板(2)连接阴极板导线(5)，阳极电极板(8)连接阳极板导线(9)。
3.根据权利要求1所述的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置，其特征在于：所述阴离子膜(3)包括阴离子膜本体(20)与电解槽的法兰结构，法兰结构为框型结构，法兰结构由穿过电解槽侧壁和垫圈螺栓孔(22)的电解槽固定螺栓(6)和阴阳极室之间的密封垫圈(21)构成，阴离子膜本体(20)固定在法兰结构的密封垫圈(21)之间。
4.根据权利要求1所述的电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置，其特征在于：所述阴极室与阳极室体积比为1-1.3。
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