CN113073341A - 一种电解回收装置、电沉积回收鸟粪石的方法及其用途 - Google Patents

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CN113073341A CN202110285741.9A CN202110285741A CN113073341A CN 113073341 A CN113073341 A CN 113073341A CN 202110285741 A CN202110285741 A CN 202110285741A CN 113073341 A CN113073341 A CN 113073341A
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Abstract

本发明提供了一种电解回收装置、电沉积回收鸟粪石的方法及其用途，所述的电化学沉积回收鸟粪石的方法包括：向待回收液内插入镁阳极和具有粗糙表面的阴极，对阴极和镁阳极通电进行电化学反应，并维持pH在7～9.5不变，通过降低电流密度，成功的在阴极表面沉积生成鸟粪石。本发明通过控制电化学反应pH在7～9.5，强化了鸟粪石的生成，基于电解‑电沉积原理，利用阴极的粗糙表面，使得鸟粪石沉积在表面粗糙的阴极表面，实现对鸟粪石的富集和分离，进一步地通过调控反应参数，促进了鸟粪石在阴极的沉积，使得阴极的沉积比例达到96％，且使鸟粪石的质量纯度能够达到96.01％，具有回收方法简单、回收纯度高和效率高等特点。

Description

一种电解回收装置、电沉积回收鸟粪石的方法及其用途
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及电沉积回收鸟粪石，尤其涉及一种电解回收装置、电沉积回收鸟粪石的方法及其用途。
背景技术
近年来，污水中磷的回收产物主要是磷酸钙、鸟粪石以及其他的磷酸盐等。磷酸钙可近似于磷矿石，鸟粪石(MAP)则是一种可作为缓释肥替代磷肥用于农业生产。单纯从经济角度考虑，作为回收产物的鸟粪石无疑具有更大的经济价值和应用潜力。
回收鸟粪石主要针对的目标废水都是含有较高或者高浓度N、P的废水，如养殖废水、尿液和垃圾渗滤液等，而这些废水中有机物通常含量也很高，因此对于这些废水的处理采用的工艺除了传统的生物处理以外，近年来出现了一些新的工艺技术，比如，厌氧消化+MAP，微生物燃料电池(MFC)+MAP，微生物电解池(MEC)+MAP，电渗析+MAP法等，这些方法大多通过生化处理和鸟粪石结晶法结合达到回收氮磷的目的，此外，通过投加MgCl2、MgSO4、MgO或Mg(OH)2等镁源，能够优化鸟粪石的生成。
上述处理工艺都达到了很可观的去除效果，并且鸟粪石的回收都是在污泥中回收。但是，一般情况下污泥中有机物含量较高，无法直接成为肥料，因此还需要进一步把含有鸟粪石的无机物和污泥分开。
CN103935974A公开一种将污水中高浓度氨氮回收为高纯度大颗粒鸟粪石的方法。先将成粒主体改成由进料管、成粒管和沉淀管三部分构成的三段式锥形流化床反应装置，沉淀管与成粒管的连接口为截锥形，其母线的倾斜角度θ为25～45°；成粒管的大端外径与小端外径的比例为3:1，长度比为50:1，成粒管内有pH探头，成粒管底端与进料管顶端有成粒管阀门；开设有5个进料口的进料管底端有出料阀；沉淀管:成粒管:进料管长度比＝2:5:1；将NH4 +-N浓度为1000～1600mg/L的高浓度氮磷废水和氯化镁溶液一同泵入成粒主体并使NH4 +-N:PO4 3+-P:Mg2+摩尔比为1.5:1:1.1～1.5:1:1.3，pH＝6～7，回流比为12～30，所形成的鸟粪石粒径为3～8mm，纯度97.5％以上，硬度为(20.3±1)kg/mm2。但是其存在装置结构复杂，处理效率低。
CN108675403A公开了一种电化学鸟粪石结晶回收污水氮磷的方法。基于双室电解池中电极反应形成的阳极液酸化和阴极液碱化的条件，往阳极室投加镁质矿物，阻止阳极液酸化，稳定阳极液pH；酸解镁质矿物释放出的镁离子在电场力驱动下通过阳离子交换膜向阴极迁移，与阴极室污水中的铵根和磷酸根在碱性条件下发生结晶反应，形成鸟粪石沉淀，并稳定阴极液pH，实现了同时去除和回收污水氮磷的目的。但是该发明中，鸟粪石的回收都是在污泥中回收，还需进一步增设污泥与鸟粪石分离的过程。
现有鸟粪石回收的方法均存在工艺复杂、装置结构复杂和回收困难等问题，因此，如何在保证鸟粪石回收的方法的工艺简单和装置简单的情况下，还能够使回收鸟粪石回收方便高效，不需要在污泥中回收鸟粪石，成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电解回收装置、电沉积回收鸟粪石的方法及其用途，通过控制电沉积反应的pH在7.0～9.5，在阴极提供了鸟粪石生成的pH环境，通过使用表面粗糙的阴极材料，进一步的提高鸟粪石在阴极表面的沉积效果，无需在污泥中进行回收鸟粪石，具有回收方法简单、回收纯度高和效率高等特点。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法包括：
向待回收液内插入镁阳极和具有粗糙表面的阴极，对阴极和镁阳极通电进行电化学反应，并维持pH在7～9.5不变，在阴极表面沉积生成鸟粪石。例如，pH为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0或9.5。
本发明通过控制电化学反应的pH在7.0～9.5，并且结合镁阳极，强化了鸟粪石的生成和沉积效果，基于电解-电沉积原理，利用阴极的粗糙表面，使得大部分鸟粪石沉积在表面粗糙的阴极表面，实现对鸟粪石的富集和分离，阴极表面沉积物的比例最高为96％，回收得到鸟粪石的质量纯度能够达到96.01％，具有回收方法简单、回收纯度高和效率高等特点。
需要说明的是，通电的情况下，镁阳极源源不断的释放Mg2+到溶液中，在电场的作用力下带正电的Mg2+和NH4 +在微弱的电场强度下从阳极附近的溶液中迁移到阴极附近；阴极附近H2O的得到了电子，发生还原反应释放出氢气，从而阴极附近会产生大量的OH-，局部的pH升高，从而在阴极附近产生了较为理想的pH环境，结合溶液处于过饱和状态、富集的前驱体离子和理想的pH环境有利于MAP的生成，在电场的作用下，由于异相成核和鸟粪石极化过程，使得鸟粪石等不溶性盐沉积在阴极表面。
作为本发明的一个优选技术方案，所述的电沉积回收鸟粪石的方法还包括：所述阴极表面产生的鸟粪石通过刮取的方式获取。
优选地，所述电化学反应在搅拌操作下进行。
优选地，所述搅拌的速度为50～200rpm，例如，速度为50rpm、60rpm、80rpm、100rpm、120rpm、140rpm、160rpm、180rpm或200rpm。
本发明通过控制搅拌速度，当搅拌速度在50rpm以下时，不利于溶液内离子的混合，从而影响离子的反应聚合以及晶体的生长；当搅拌速度在200rpm以上时，搅拌速度过快，溶液对沉积在阴极表面的鸟粪石造成冲击，降低鸟粪石在阴极表面的沉积效果。
作为本发明的一个优选技术方案，所述待回收液中包括铵盐和磷酸盐。
优选地，所述的铵盐包括氯化铵和/或硫酸铵。
优选地，所述的磷酸盐包括磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明的一个优选技术方案，在所述待回收液中，以N计所述铵盐的质量浓度为32.5～45mg/L，例如，质量浓度为32.5mg/L、36mg/L、37mg/L、38mg/L、39mg/L、40mg/L、41mg/L、42mg/L、43mg/L、44mg/L或45mg/L。
优选地，在所述待回收液中，以P计所述磷酸盐的质量浓度为60～100mg/L，例如，质量浓度为60mg/L、64mg/L、68mg/L、72mg/L、76mg/L、80mg/L、84mg/L、88mg/L、92mg/L、96mg/L或100mg/L。
优选地，所述铵盐中元素氮与磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.2):1，例如，摩尔比为0.8:1、0.85:1、0.9:1、0.95:1、1.00:1、1.02:1、1.04:1、1.06:1、1.08:1、1.10:1、1.12:1、1.14:1、1.16:1、1.18:1或1.20:1。
作为本发明的一个优选技术方案，所述镁阳极中镁元素与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.2)：1，例如，摩尔比为0.8:1、0.85:1、0.9:1、0.95:1、1.00:1、1.02:1、1.04:1、1.06:1、1.08:1、1.10:1、1.12:1、1.14:1、1.16:1、1.18:1或1.20:1。
本发明通过控制镁阳极中镁元素与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比，使其摩尔比在(0.8～1.2)：1之间，若高于或低于该比例，均会影响鸟粪石的纯度以及微观形貌。
优选地，所述阴极的比表面积为0.5～2m2/g，例如，比表面积为0.5m2/g、0.6m2/g、0.8m2/g、1.0m2/g、1.2m2/g、1.4m2/g、1.6m2/g、1.8m2/g或2.0m2/g。
优选地，所述阴极的表面具有多孔结构。
优选地，所述阴极的材质包括石墨和/或碳纤维毡。
作为本发明的一个优选技术方案，所述阴极与镁阳极之间的距离为1.0～3.0cm，例如，距离为1.0cm、1.5cm、1.75cm、2.0cm、2.25cm、2.5cm、2.75或3.0cm。
本发明通过控制阴极与镁阳极之间的距离，即电极间距，当电极间距在1cm以下时，电阻较小，电流效率过高，从而影响离子的反应聚合以及晶体的生长；当电极间距在3cm以上时，电极间距太大，不利于离子的迁移，降低鸟粪石在阴极表面的沉积效果。
优选地，所述阴极的有效面积与所述镁阳极的有效面积之比为(1.0～1.2):1，例如，比值为1.0:1.0、1.25:1.0、1.5:1.0、1.75:1.0或1.2:1.0。
优选地，所述阴极的有效面积为24～100.5cm2；例如，有效面积为24cm2、34cm2、40cm2、50cm2、60cm2、70cm2、80cm2、90cm2、100cm2或100.5cm2。
需要说明的是，本发明中阴极的有效面积和阳极的有效面积为电极插入溶液内的内侧面积。
优选地，所述阴极的形状包括矩形板状和/或圆筒状。
优选地，所述镁阳极的形状包括矩形板状和/或圆筒状。
作为本发明的一个优选技术方案，所述通电方式为直流电。
优选地，所述电化学反应的电压为1～2V，例如，电压为1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.9V或2.0V。
本发明通过控制电化学反应的电压，当电压高于2V时，不利于控制镁阳极中Mg的释放，并会增强阴极表面的析氢反应，从而使鸟粪石的沉积效果差；当电压低于1V时，电场强度就会降低，从而不利于离子以及鸟粪石微晶的迁移。
优选地，所述电化学反应的电流为20～60mA例如，电流为20.0mA、22.0mA、24.0mA、26.0mA、28.0mA、30.0mA、32.0mA、34.0mA、36.0mA、38.0mA、40.0mA、42.0mA、44.0mA、46.0mA、48.0mA、52.0mA、54.0mA、56.0mA、58.0mA或60.0mA。
优选地，所述电化学反应的电流密度为4～13A/m2，例如，电流密度为4A/m2、5A/m2、6A/m2、7A/m2、8A/m2、9A/m2、10A/m2、11A/m2、12A/m2或13A/m2。
本发明通过控制电化学反应的电流密度在4～13A/m2，当电流密度低于4A/m2时，会降低鸟粪石的沉积效率，延长了回收时间；当电流高于13A/m2时，使电极表面的反应强度增强，会在阴极的表面的析氢反应剧烈，产生大量的气泡，影响鸟粪石在阴极表面的沉积。
需要说明的是，电流密度＝电流/电极有效面积，故改变电流大小，电极的有效面积不发生变化时，电流密度会随电流的大小变化得到相应的电流密度。
优选地，所述电化学反应的时间为100～240min，例如，时间为100min、120min、140min、150min、160min、180min、200min、220min或240min。
本发明通过控制电化学反应的时间为100～240min，当时间小于100min时，相应的电流很大，阴极的析氢反应强烈，不利于鸟粪石晶体之间的结晶聚合生长；当时间大于240min时，则对应的电流很小，电化学反应时间过久，会降低了鸟粪石结晶物与其他磷酸盐的竞争力，也不利于鸟粪石的生成和沉积。
作为本发明的一个优选技术方案，所述的待回收液内加入有强电解质，所述的强电解质包括钠盐。
优选地，所述待回收液中钠盐的摩尔浓度为1.42～5.67mmol/L，例如，摩尔浓度为1.42mmol/L、1.8mmol/L、2.2mmol/L、2.6mmol/L、3.0mmol/L、3.4mmol/L、3.8mmol/L、4.2mmol/L、4.6mmol/L、5.0mmol/L、5.4mmol/L或5.67mmol/L。
优选地，所述的钠盐包括氯化钠和/或硫酸钠。
本发明通过在待回收液中增加钠盐增强剂，使待回收液中具有一定浓度的钠盐，可以有效提高污水的电导率，进一步地提高离子的迁移效率，有利于鸟粪石的成分离子在阴极聚合结晶，然后沉积在阴极表面。
第二方面，本发明提供了一种电解回收装置，所述的电解回收装置包括壳体，壳体内注入有待回收液，所述待回收液内插入有至少一个镁阳极和至少一个阴极，所述壳体内还设置有pH传感器，所述pH传感器用于检测待回收液的pH，采用所述的电解回收装置进行如第一方面所述的电沉积回收鸟粪石的方法。
第三方面，本发明还提供了一种如第一方面所述的电沉积回收鸟粪石的方法的用途，所述电沉积回收鸟粪石的方法用于污水处理领域。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过控制电化学反应pH在7.0～9.5，强化了鸟粪石的生成，基于电解-电沉积原理，利用阴极的粗糙表面，通过降低电流密度使得大部分鸟粪石沉积在表面粗糙的阴极表面，实现对鸟粪石的富集和分离，在本发明优选技术范围内，通过调控反应参数，促进了鸟粪石在阴极的沉积，使得阴极的沉积比例达到96％，且使回收得到鸟粪石的质量纯度能够达到96.01％，具有回收方法简单、回收纯度高和效率高等特点。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式中提供的电沉积回收鸟粪石的方法的机理图；
图2为本发一个具体实施方式中提供的电解回收装置的结构示意图。
其中，1-镁阳极；2-阴极；3-pH传感器。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种电解回收装置，如图2所示，所述的电解回收装置包括壳体，壳体内注入有待回收液，待回收液内插入有至少一个镁阳极1和至少一个阴极2，壳体内还设置有pH传感器3，pH传感器3用于检测待回收液的pH。
在另一个具体实施方式中，本发明还提供了一种采用上述电解回收装置进行电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法包括：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在50～200rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应的电压为1～2V，电流为20～50mA，相应的电流密度范围为4～10A/m2，电化学反应的时间为100～240min，并维持pH在7～9.5不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中包括铵盐和磷酸盐，铵盐包括氯化铵和/或硫酸铵，磷酸盐包括磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种或至少两种的组合，以N计铵盐的质量浓度为为32.5～45mg/L，以P计磷酸盐的质量浓度为60～100mg/L，并且铵盐中元素氮与磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.2):1，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.2)：1。
其中，阴极2的材质包括石墨、不锈钢或碳纤维毡中的任意一种或至少两种的组合，阴极2的比表面积为0.5～2m2/g，阴极2的有效面积为24～100.5cm2，阴极2的形状包括矩形板状和/或圆筒状。阴极2的有效面积与镁阳极1的有效面积之比为(1.0～1.2):1，镁阳极1的形状包括矩形板状和/或圆筒状。阴极2与镁阳极1之间的距离为1～3cm。
其中，待回收液中加入有强电解质，强电解质包括钠盐，钠盐包括氯化钠和/或硫酸钠。所述待回收液中钠盐的摩尔浓度为1.42～5.67mmol/L。
如图1所示，通电的情况下，镁阳极1源源不断的释放Mg2+到溶液中，在电场的作用力下带正电的Mg2+和NH4 +在微弱的电场强度下从阳极附近的溶液中迁移到阴极2附近；阴极2附近H2O的得到了电子，发生还原反应释放出氢气，从而阴极2附近会产生大量的OH-，局部的pH升高，从而在阴极2附近产生了较为理想的pH环境，结合溶液处于过饱和状态、富集的前驱体离子和理想的pH环境有利于MAP的生成，在电场的作用下，由于异相成核和鸟粪石极化过程，使得鸟粪石等不溶性盐沉积在阴极2表面。
待回收液为含有氮和磷的污水，其氮和磷的质量浓度如各实施例中以N计铵盐和以P计磷酸盐的质量浓度。
实施例1
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在100rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应采用恒流24.9mA的电流电解，电流密度为5.19A/m2，相应的反应电压为0～1.5V，通过法拉第电解定律计算得出电化学反应的时间为200min，并维持pH在8.5±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度39.7mg/L氯化铵，磷酸盐为以P计质量浓度80mg/L磷酸钠，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.1:1.0，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为1.2:1.0。
其中，阴极2的材质为石墨，阴极2的比表面积为1.0m2/g，阴极2的有效面积为6×8＝48cm2，阴极2的形状为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，阴极的有效面积与镁阳极的有效面积之比为1:1，镁阳极1的形状为矩形板状。阴极2与镁阳极1之间的距离为2cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠，待回收液中氯化钠的摩尔浓度为2.84mmol/L。
实施例2
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在200rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应采用恒流20.75mA的电流电解，电流密度为4.32A/m2，相应的反应电压为0～1.5V，通过法拉第电解定律计算得出电化学反应的时间为240min，并维持pH在7.3±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度45.0mg/L硫酸铵，磷酸盐为以P计质量浓度83.03mg/L磷酸氢二钠，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.2:1.0，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为1.2:1.0。
其中，阴极2的材质为碳毡，阴极2的比表面积为1.5m2/g，阴极2的有效面积为6×8＝48cm2，阴极2和镁阳极1的形状均为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，阴极2和镁阳极1的有效面积比为1:1，阴极2与镁阳极1之间的距离为1cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠和硫酸钠，待回收液中氯化钠的摩尔浓度为1.42mmol/L。
实施例3
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在50rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应采用恒流41.50mA的电流电解，电流密度为8.64A/m2，相应的反应电压为0～1.5V，通过法拉第电解定律计算得出电化学反应的时间为120min，并维持pH在7.7±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度35mg/L氯化铵，磷酸盐为以P计质量浓度93mg/L磷酸钠，并且元素氮与元素磷的摩尔比为0.8:1，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为1.2：1.0。
其中，阴极2的材质为碳毡，阴极2的比表面积为1.5m2/g，阴极2的有效面积为6×8＝48cm2，阴极2的形状为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，镁阳极1和阴极2的有效面积比为1:1，镁阳极1的形状为矩形板状。阴极2与镁阳极1之间的距离为3.0cm。
其中，待回收液中加入有硫酸钠，待回收液中硫酸钠的摩尔浓度为3mmol/L。
实施例4
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在50rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应的电压为0～1.5V，电流为41.50mA，电流密度为4.13A/m2，电化学反应的时间为120min，并维持pH在8.1±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度32.5mg/L氯化铵，磷酸盐为以P计质量浓度60mg/L磷酸钠和磷酸氢二钠，磷酸钠和磷酸氢二钠的质量比为1:1，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.2:1，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为0.8:1。
其中，阴极2的材质为石墨，阴极2的比表面积为1.5m2/g，阴极2的形状为圆筒状，内径为4cm，阴极2的有效面积为100.48cm2。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，镁阳极1的形状为圆筒状，内径为2cm，镁阳极1和阴极2的有效面积比为2:1。阴极2与镁阳极1之间的距离为2cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠和硫酸钠，待回收液中氯化钠的摩尔浓度为2.84mmol/L，硫酸钠的摩尔浓度为2.31mmol/L。
实施例5
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在100rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应的电压为0～1.5V，电流为60.36mA，电流密度为12.58A/m2，电化学反应的时间为110min，并维持pH在8.7±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度37.63mg/L硫酸铵，磷酸盐为以P计质量浓度80mg/L磷酸二氢钠和磷酸氢二钠，磷酸二氢钠和磷酸氢二钠的质量比为1:1，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.0:1.2，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为1.6:1。
其中，阴极为双阴极，阴极2的材质为石墨，阴极2的比表面积为1.0m2/g，阴极2的有效面积为48×2＝96cm2，阴极2和镁阳极1的形状均为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，镁阳极1和阴极2的有效面积比为1:2，镁阳极1的形状为矩形板状。阴极2与镁阳极1之间的距离为2cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠和硫酸钠，待回收液中氯化钠的摩尔浓度为2.84mmol/L，硫酸钠的摩尔浓度为2.31mmol/L。
实施例6
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在100rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应的电压为2V，电流为10～40mA，电流密度为2～8.3A/m2，电化学反应的时间为180min，并维持pH在9.0±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度39.7mg/L硫酸铵，磷酸盐为以P计质量浓度80mg/L的磷酸氢二钠，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.1:1.0，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为(1.0～1.2)：1。
其中，使用1个阴极和1个阳极，阴极2的材质为碳毡，阴极2的比表面积为1.5m2/g，阴极2的有效面积为48cm2，阴极2的形状为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，镁阳极1和阴极2的有效面积比为1:1，镁阳极1的形状为矩形板状。阴极2与镁阳极1之间的距离为2cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠和硫酸钠，氯化钠在待回收液中的摩尔浓度为1.42mmol/L，硫酸钠在待回收液中的摩尔浓度为1.42mg/L。
实施例7
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，所述的电沉积回收鸟粪石的方法具体包括以下步骤：
向待回收液内插入镁阳极1和具有粗糙表面的阴极2，在100rpm的搅拌速度下，对阴极2和镁阳极1通电进行电化学反应，电化学反应的电压为1V，电流为10～25mA，电流密度为2～5.2A/m2，电化学反应的时间为180min，并维持pH在9.3±0.1不变，在阴极2表面沉积生成鸟粪石，并通过刮取获得鸟粪石。
其中，待回收液中铵盐为以N计质量浓度37.63mg/L硫酸铵，磷酸盐为以P计质量浓度80mg/L的磷酸氢二钠，并且元素氮与元素磷的摩尔比为1.0:1.2，镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为(1.0～1.2):1。
其中，阴极1和阴极2的材质为碳毡，并且使用双阴极，阴极2的比表面积为1.5m2/g，阴极2的有效面积为48×2＝96cm2，阴极2和镁阳极1的形状均为矩形板状。镁阳极1中镁元素的质量含量为99.5％，镁阳极1和阴极2的有效面积比为1:2，阴极2与镁阳极1之间的距离为2cm。
其中，待回收液中加入有氯化钠，氯化钠在待回收液中的摩尔浓度为1.42mmol/L。
实施例8
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，电极大小为电化学反应的电流为16.60mA，电流密度为3.46A/m2，相应的电解时间为300min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例9
本实施例提供了一种电化学回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，电化学反应的电流为71.14mA，电流密度为14.82A/m2，相应的电解时间为70min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例10
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，镁阳极1中镁与磷酸盐中元素磷的摩尔比为0.6：1，相应的电解时间为90min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例11
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，镁阳极1中镁与磷酸盐中元素磷的摩尔比为1.8：1，相应的电解时间为270min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例12
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，搅拌速度为35rpm，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例13
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，搅拌速度为220rpm，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例14
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，电化学反应的电压为0.5V，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例15
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，电化学反应的电压为2.5V，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例16
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其中，待回收液中不加入有氯化钠，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例17
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其中，电极间距为0.5cm，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例18
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其中，电极间距为3.5cm，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例19
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其中，电解时间为90min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
实施例20
本实施例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其中，电解时间为260min，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其区别在于，阴极2材质为表面光滑的不锈钢，有效面积为6×8＝48cm2，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其区别在于，电解液的初始pH为6.0，且不控制pH，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例3
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其区别在于，电解液的初始pH为7.0，且不控制pH，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例4
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，基于实施例1，其区别在于，电解液的初始pH为8.5，且不控制pH，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例5
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其区别在于，待回收液的pH为6.5且维持不变，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
对比例6
本对比例提供了一种电沉积回收鸟粪石的方法，与实施例1相比，其区别在于，待回收液的pH为10.0且维持不变，其余操作参数和步骤与实施例1完全相同。
将上述实施例和对比例得到的鸟粪石进行溶解测定，其测定方法为：
收集从阴极上刮取下的沉积物以及溶液中的沉淀物晾干至恒重，称量后，计算阴极沉积物的质量占比。
称取部分从阴极刮取下的沉淀物W1溶解于体积为V1质量浓度为0.5％的HCl中，通过测定溶解后溶液中氨氮的浓度来计算盐酸溶液溶解后溶液中鸟粪石的浓度，从而计算得出阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度。
其中，阴极沉积物的质量占比以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度计算方式如下：
阴极沉积物的质量占比：
Figure BDA0002980380670000181
盐酸溶液溶解后溶液中鸟粪石的浓度：
Figure BDA0002980380670000182
阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度：
Figure BDA0002980380670000183
Bd-阴极沉积物的质量占比，％；Wp-溶液中沉积的沉淀物质量，mg；Wd-阴极上刮取下的沉淀物质量，mg；cstruvite-盐酸溶液溶解后溶液中鸟粪石的浓度，mg/L；c1-盐酸溶液溶解后溶液中氨氮的浓度，mg/L；Msrtuvite-鸟粪石的摩尔质量，245g/mol；MN-氮的摩尔质量，14g/mol；Pd-阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度，％；V1-使用盐酸溶液的体积，L；W1-盐酸溶液溶解的沉淀物质量，mg。
以上实施例和对比例中，阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002980380670000184
Figure BDA0002980380670000191
通过表1可以得出：
(1)实施例1与实施例8、9相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例8、9，由此可见，本发明通过控制电化学反应的电流密度，当电流密度在4A/m2以下时，会降低鸟粪石的沉积效率；当电流密度高于13A/m2时，使电极表面的反应强度增强，会在阴极2的表面的析氢反应剧烈，产生大量的气泡，影响鸟粪石在阴极2表面的沉积。
(2)实施例1与实施例10、11相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例10、11，由此可见，本发明通过控制镁阳极1中镁与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比，使其摩尔比在(0.8～1.6)：1之间，若高于或低于该比例，均会影响鸟粪石的纯度以及微观形貌。
(3)实施例1与实施例12、13相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例12、13，由此可见，本发明通过控制搅拌速度，当搅拌速度低于50rpm时，不利于溶液内离子的混合，从而影响离子的反应聚合以及晶体的生长；当搅拌速度在200rpm以上时，搅拌速度过快，溶液对沉积在阴极2表面的鸟粪石造成冲击，降低鸟粪石在阴极2表面的沉积效果。
(4)实施例1与实施例14、15相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例14、15，由此可见，本发明通过控制电化学反应的电压在1～2V，当电压高于2V时，不利于控制镁阳极1中Mg的释放，并会增强阴极2表面的析氢反应，从而使鸟粪石的沉积效果差；当电压低于1V时，电场强度就会降低，从而不利于离子以及鸟粪石微晶的迁移。
(5)实施例1与实施例16相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例16，由此可见，本发明通过在待回收液中增加钠盐强电解质，使待回收液中具有一定浓度的钠盐，可以有效提高污水的电导率，进一步地提高离子的迁移效率，有利于鸟粪石的成分离子在阴极2聚合结晶，然后沉积在阴极2表面。
(6)实施例1与实施例17、18相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例17、18，由此可见，本发明通过控制电化学反应的电极间距在1.0～3.0cm，并且结合镁阳极1，当电极间距超过3cm或者小于1cm时，均不利于鸟粪石的生成和沉积。合理的控制电极间距，提高了鸟粪石的生成和沉积效率。
(7)实施例1与实施例19、20相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于实施例19、20，由此可见，电解时间对阴极鸟粪石的沉积效果产生重要影响，且当电解时间小于100min时，会降低鸟粪石的沉积效率，时间太短，不利于鸟粪石的生成和沉积；当电解时间超过240min时，降低了回收效率，时间延长，会造成镁极板的资源浪费，且提高了磷酸盐沉淀的竞争力，不利于鸟粪石在阴极附近的生成和阴极表面的沉积。
(8)实施例1与对比例1相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于对比例1，由此可见，本发明通过调节阴极2材料和阴极2表面的结构，使阴极2表面相对粗糙，可以有效提高电化学反应的固液相界面的有效面积，有利于鸟粪石的成分离子在阴极2聚合结晶，然后沉积在阴极2表面。
(9)实施例1与对比例2-4相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于对比例2-4，由此可见，本发明通过控制电化学反应的pH为7.0～9.5恒定值，当pH不控制在7.0～9.5之间或者初始pH为6～8.5时，pH的变化降低了鸟粪石的过饱和度，会降低了鸟粪石结晶物与其他磷酸盐的竞争力，不利于鸟粪石晶体之间的结晶聚合生长，也不利于鸟粪石的生成和沉积。
(10)实施例1与对比例5、6相比，实施例1中阴极沉积物的比例以及阴极表面沉积物中鸟粪石的纯度均优于对比例5、6，由此可见，本发明通过控制电化学反应的pH在7.0～9.5，并且结合镁阳极1，强化了鸟粪石的生成和沉积效果，利用电解-电沉积原理使得鸟粪石沉积在阴极2表面，实现对鸟粪石的富集和分离，而对比例4、5中鸟粪石富集在污泥中，还需进一步的从污泥中提取鸟粪石，本发明具有回收方法简单、回收纯度高和效率高等特点。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述的电沉积回收鸟粪石的方法包括：
向待回收液内插入镁阳极和具有粗糙表面的阴极，对阴极和镁阳极通电进行电化学反应，并维持pH在7～9.5不变，在阴极表面沉积生成鸟粪石。
2.根据权利要求1所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述的电沉积回收鸟粪石的方法还包括：所述阴极表面产生的鸟粪石通过刮取的方式获取；
优选地，所述电化学反应在搅拌操作下进行；
优选地，所述搅拌的速度为50～200rpm。
3.根据权利要求1或2所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述待回收液中包括铵盐和磷酸盐；
优选地，所述的铵盐包括氯化铵和/或硫酸铵；
优选地，所述的磷酸盐包括磷酸钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钠中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求3所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，在所述待回收液中，以N计所述铵盐的质量浓度为32.5～45mg/L；
优选地，在所述待回收液中，以P计所述磷酸盐的质量浓度为60～100mg/L；
优选地，所述铵盐中元素氮与磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.2):1。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述镁阳极中镁元素与所述磷酸盐中元素磷的摩尔比为(0.8～1.6)：1；
优选地，所述阴极的比表面积为0.5～2m2/g；
优选地，所述阴极的表面具有多孔结构；
优选地，所述阴极的材质包括石墨和/或碳纤维毡。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述阴极与镁阳极之间的距离为1～3cm；
优选地，所述阴极的有效面积与所述镁阳极的有效面积之比为(1.0～1.2):1；
优选地，所述阴极的有效面积为24～100.5cm2；
优选地，所述阴极的形状包括矩形板状和/或圆筒状；
优选地，所述镁阳极的形状包括矩形板状和/或圆筒状。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述通电方式为直流电；
优选地，所述电化学反应的电压为1～2V；
优选地，所述电化学反应的电流为20～60mA；
优选地，所述电化学反应的电流密度为4～13A/m2；
优选地，所述电化学反应的时间为100～240min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述的待回收液内加入有强电解质，所述的强电解质包括钠盐；
优选地，所述待回收液中钠盐的摩尔浓度为1.42～5.67mmol/L；
优选地，所述的钠盐包括氯化钠和/或硫酸钠。
9.一种电解回收装置，其特征在于，所述的电解回收装置包括壳体，壳体内注入有待回收液，所述待回收液内插入有至少一个镁阳极和至少一个阴极，所述壳体内还设置有pH传感器，所述pH传感器用于检测待回收液的pH，采用所述的电解回收装置进行权利要求1-8任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法。
10.一种权利要求1-8任一项所述的电沉积回收鸟粪石的方法的用途，其特征在于，所述电沉积回收鸟粪石的方法用于污水处理领域。
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