CN114807977B - 一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法 - Google Patents

一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于尿液废水处理与资源化利用技术领域，提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法。本发明通过设置阳极室、中间室和阴极室，利用外电路连接阴阳极自发形成的电场对阴阳两极室进行供能，促进离子迁移，同时通过设置阴离子交换膜和阳离子交换膜使中间室尿液中的阴阳离子定向移动，而不带电的尿素留存于中间室，从而实现了尿素的回收。实施例的结果显示，采用本发明提供的装置处理尿液，测得处理后中间室中尿素的浓度为14.78g/L，磷浓度为12.22mg/L，NH4 +‑N浓度为17.75mg/L，尿液的电导率为0.23ms/cm，实现了尿素与其他成分的分离；并且，得到了纯度为85.30％的鸟粪石。

Description

一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法
技术领域
本发明涉及尿液废水处理与资源化利用技术领域，尤其涉及一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法。
背景技术
尿液具有极大的潜在资源性。研究表明，每人平均每年会产出尿液500kg，由此可计算出，每人平均每年排泄的营养元素总量分别为5.7kg氮、0.6kg磷和1.2kg钾，而如果直接将尿液排放，将造成尿液中有用资源的浪费。因此，从源头对尿液进行处理与资源化，以尿液为目标处理液，对尿液中的氮磷等资源进行回收，符合可持续的理念，能够完成食物-能源的循环经济，变废为宝，填补现有的农业肥料的空缺。同时，对尿液进行处理与资源化，可减少污水处理厂进水氮磷浓度，从而降低处理难度、处理能耗及处理成本，获得更为平衡的水-能源-营养关系，具有巨大的环境与经济效益。
尿素是一种非常有用的资源，它不但可以直接用作肥料，也可以作为选择性还原剂添加到汽车的排气装置中。但是，目前合成尿素的生产工艺能耗高、成本高。而新鲜尿液中含有尿素，如果能对这一资源进行回用，将大大提高尿素的产量，降低其生产成本。
然而，尿素本身的水解性影响了尿素的回收。当尿液最初从体内排出时，氮是以尿素的形式存在的，当尿液与脲酶接触后，尿素水解形成氨和碳酸氢盐，pH值从6变为9，并导致鸟粪石和羟基磷灰石沉淀的产生。除此之外，由于尿素的难结晶和高温易分解，目前对尿素直接进行提纯的方法比较少，研究中多运用正渗透-膜蒸馏复合膜系统从尿液中分离尿素，但是其耗能大，不具备推广价值。因此，如何从尿液中回收尿素成为了本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置及方法，本发明提供的装置实现了尿液中尿素的高效回收，同时生产了鸟粪石。
本发明提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置，包括腔体、外电路和外循环系统；
所述腔体包括沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室；
所述阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开；所述阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开；所述阳极室和阴极室分别用于盛放电解液；所述中间室用于盛放待处理尿液；
所述阳极室和阴极室通过外循环系统相连通；所述外循环系统包括管道和安装于所述管道上的蠕动泵；
所述阳极室中设置阳极，所述阳极为镁板；所述阴极室中设置阴极，所述阴极为铂碳空气阴极；
所述外电路包括导线和外电阻；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联。
优选地，所述中间室的顶部和底部分别设有进水口和出水口，所述进水口和出水口通过管道连通。
优选地，所述中间室的内部，在进水口和出水口之间设置蛇形微流道。
优选地，所述阳极室的侧壁设有阳极流入口和阳极流出口，所述阴极室的侧壁设有阴极流入口和阴极流出口，所述阳极流出口与阴极流入口连通，所述阴极流出口与阳极流入口连通。
本发明还提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用上述技术方案所述的装置，包括以下步骤：
(1)向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入电解液，使阳极和阴极与外电路连通形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液，在中间室得到尿素的水溶液；
(2)过滤所述步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
优选地，所述步骤(1)中的待处理尿液在中间室及连通进水口和出水口的管道中进行内循环，所述内循环时待处理尿液的流速为1～5mL/min。
优选地，所述步骤(1)中的电解液包括硫酸钠溶液或水。
优选地，所述步骤(1)中电解液在阳极室和阴极室中循环流动的流速为2～10mL/min。
优选地，所述步骤(1)中待处理尿液中的阳离子包括Na+、NH4 +、H+和K+，待处理尿液中的阴离子包括PO4 3-、Cl-、SO4 2-、CO3 2-和OH-。
优选地，所述步骤(2)中过滤所用滤膜的孔径为0.45～0.55μm。
本发明提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置，包括腔体、外电路和外循环系统；所述腔体包括沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室；所述阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开；所述阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开；所述阳极室和阴极室分别用于盛放电解液；所述中间室用于盛放待处理尿液；所述阳极室和阴极室通过外循环系统相连通；所述外循环系统包括管道和安装于所述管道上的蠕动泵；所述阳极室中设置阳极，所述阳极为镁板；所述阴极室中设置阴极，所述阴极为铂碳空气阴极；所述外电路包括导线和外电阻；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联。本发明通过设置阳极室、中间室和阴极室，利用外电路连接阴阳极自发形成的电场对阴阳两极室进行供能，促进离子迁移，同时通过设置阴离子交换膜和阳离子交换膜使中间室尿液中的阴阳离子定向移动，而不带电的尿素留存于中间室，从而实现了尿素的回收。此外，本发明通过管道将阳极室和阴极室相连通，并在管道上安装蠕动泵，实现了阴阳两极室中电解液的循环；而尿液中迁移的铵根离子、磷酸根离子通过阴阳两极室形成的内循环与阳极产生的镁离子以及阴极产生的氢氧根离子汇合并发生化合反应，生成了鸟粪石沉淀，可以作为优质的缓释肥，实现了尿液的资源化利用。实施例的结果显示，采用本发明提供的装置处理尿液，测得处理后中间室中尿素的浓度为14.78g/L，磷浓度为12.22mg/L，NH4 +-N浓度为17.75mg/L，尿液的电导率为0.23ms/cm，实现了尿素与其他成分的分离；并且，得到了纯度为85.30％的鸟粪石。
附图说明
图1为本发明实施例1中回收尿素同时生产鸟粪石的装置的剖视图；
图2为本发明实施例3中磷的去除效果及电导率变化图；
图3为本发明实施例3中得到的鸟粪石的SEM图；
图4为本发明实施例3中得到的鸟粪石的EDS图；
图5为本发明实施例3中氮元素进出水变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置，包括腔体、外电路和外循环系统；
所述腔体包括沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室；
所述阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开；所述阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开；所述阳极室和阴极室分别用于盛放电解液；所述中间室用于盛放待处理尿液；
所述阳极室和阴极室通过外循环系统相连通；所述外循环系统包括管道和安装于所述管道上的蠕动泵；
所述阳极室中设置阳极，所述阳极为镁板；所述阴极室中设置阴极，所述阴极为铂碳空气阴极；
所述外电路包括导线和外电阻；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联。
本发明提供的回收尿素同时生产鸟粪石的装置包括腔体、外电路和外循环系统。在本发明中，所述腔体用于为尿液中尿素的回收和鸟粪石的生产提供场所；所述腔体的材质优选为有机玻璃；所述腔体的尺寸优选为7cm×7cm×2.5cm，所述腔体的有效体积优选为110mL。
在本发明中，所述腔体包括沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室。本发明中的阳极室和阴极室与外电路组成电池，形成电场，诱导尿液中的离子进行电迁移，实现尿素分离；所述中间室用于处理待处理尿液。在本发明中，当所述腔体的有效体积优选为110mL时，所述阳极室的体积优选为30mL，所述阴极室的体积优选为30mL。
在本发明中，所述阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开。本发明中的阴离子交换膜与阳离子交换膜配合使用，分离尿液中的阴阳离子。在本发明中，所述阴离子交换膜优选包括AMI7001、FAB-PK-130或TAEM8040，更优选为AMI7001。在本发明中，所述AMI7001优选为Membranes Iiternational Inc，USA生产的；所述FAB-PK-130和TAEM8040优选为杭州华膜科技公司生产的。在本发明中，所述阴离子交换膜的尺寸优选为7cm×7cm。
在本发明中，所述阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开。本发明中的阳离子交换膜与阴离子交换膜配合使用，分离尿液中的阴阳离子。在本发明中，所述阳离子交换膜优选包括CMI7000、FKS-50或TCEM8040，更优选为CMI7000。在本发明中，所述CMI7000优选为Membranes Iiternational Inc，USA生产的；所述FKS-50和TCEM8040优选为杭州华膜科技公司生产的。在本发明中，所述阴离子交换膜的尺寸优选为7cm×7cm。
在本发明中，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜在使用前优选进行活化。在本发明中，所述活化所用活化剂优选为氯化钠溶液；所述氯化钠溶液的质量浓度优选为3～5％；所述活化的时间优选为24～30h。
在本发明中，所述阳极室和阴极室分别用于盛放电解液。本发明通过在阳极室和阴极室中盛放电解液与阳极和阴极组成原电池，产出Mg2+和OH-的同时利用了其自身产出的电场诱导尿液中的离子进行电迁移，实现尿素分离。
在本发明中，所述阳极室和阴极室通过外循环系统相连通；所述外循环系统包括管道和安装于所述管道上的蠕动泵。本发明通过采用由管道和蠕动泵组成的外循环系统将阳极室和阴极室连通，从而实现了阴阳两极室中电解液的循环。在本发明中，所述管道优选为软管。
在本发明中，所述阳极室的侧壁优选设有阳极流入口和阳极流出口，所述阴极室的侧壁优选设有阴极流入口和阴极流出口，所述阳极流出口优选与阴极流入口连通，所述阴极流出口优选与阳极流入口连通。本发明优选通过设置阳极流入口、阳极流出口、阴极流入口和阴极流出口，使阴阳两极室中的电解液进行循环。
在本发明中，所述阳极室中设置阳极，所述阳极为镁板。本发明以镁板为阳极产生Mg2+，为制备鸟粪石提供原料。在本发明中，所述镁板优选为AZ31B镁板；所述镁板的厚度为0.3～0.4cm。本发明对所述镁板的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述镁板的结构优选为凸字形；所述凸字形镁板优选包括主体部分和凸起部分；所述主体部分的尺寸优选为5cm×5cm，所述凸起部分的尺寸优选为3cm×0.8cm。本发明优选对所述凸字形镁板进行绝缘处理，以避免电极大部分暴露在空气中，与其他物品接触后增加电阻。在本发明中，所述绝缘处理具体优选为：在凸字形镁板中凸起部分的下2/3部分涂抹硅胶，然后在室温下干燥48～50h，直至硅胶凝固。在本发明中，所述镁板在使用前优选进行打磨和擦拭。在本发明中，所述打磨所用设备优选为手动砂轮；所述擦拭所用擦拭纸优选为无尘纸。
在本发明中，所述阴极室中设置阴极，所述阴极为铂碳空气阴极。本发明以铂碳空气电极为阴极产生OH-，为制备鸟粪石提供原料。
在本发明中，所述铂碳空气阴极优选由集流体和催化层组成。在本发明中，所述集流体优选为铜基集流体；所述铜基集流体优选由铜网和防水透气膜组成；所述铜基集流体优选为常州优特科新能源科技有限公司生产的；所述集流体的尺寸优选为7cm×7cm。在本发明中，所述催化层优选为Pt/C层。
在本发明中，所述铂碳空气阴极的制备方法优选为：在铜网表面涂覆防水透气膜，烧结得到铜基集流体；在所述铜基集流体表面喷涂Pt/C，压制得到铂碳空气阴极。在本发明中，所述烧结的温度优选为380～390℃；所述烧结的时间优选为2～3h；所述烧结所用设备优选为马弗炉。在本发明中，所述Pt/C的喷涂量优选为0.4～0.6mg/cm2。在本发明中，所述压制所用设备优选为压片机。
在本发明中，所述阳极和阴极之间的距离优选为2～3cm。
在本发明中，所述外电路包括导线和外电阻；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联。本发明通过导线将阳极和阴极与外电阻串联形成原电池，提供电能。在本发明中，所述外电阻的电阻优选为10～15Ω。
在本发明中，所述外电路优选还包括高精度电压表和数据采集系统。在本发明中，所述高精度电压表的正接线柱优选通过导线与阳极连接，所述高精度电压表的负接线柱优选通过导线与阴极连接，所述高精度电压表优选通过导线与外电阻并联。在本发明中，所述数据采用系统优选通过USB与高精度电压表连接，实时监控并记录电池电压。
在本发明中，所述中间室用于盛放待处理尿液。本发明通过在中间室中盛放待处理尿液，使尿液中的阴阳离子迁移到阳极室和阴极室，实现尿素与其他成分的分离。
本发明对所述尿液的来源没有特殊的限定，本发明提供的装置适用于处理各种尿液。
在本发明中，所述中间室的顶部和底部优选分别设有进水口和出水口，所述进水口和出水口优选通过管道连通。本发明优选通过在中间室的顶部和底部分别设置进水口和出水口，并使二者连通，实现尿液在中间室中的自循环。在本发明中，所述管道上优选安装有蠕动泵。
在本发明中，所述中间室的内部，在进水口和出水口之间优选设置蛇形微流道。本发明中所述蛇形微流道的设置有利于增大接触面积，提高离子迁移效果。在本发明中，所述蛇形微流道的尺寸优选为2～3mm×1～3mm；所述蛇形微流道的有效反应面积优选为20～50cm2。本发明对所述蛇形微流道的材质和设置方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材质和设置方式即可。
本发明通过设置阳极室、中间室和阴极室，利用外电路连接阴阳极自发形成的电场对阴阳两极室进行供能，促进离子迁移，同时通过设置阴离子交换膜和阳离子交换膜使中间室尿液中的阴阳离子定向移动，而不带电的尿素留存于中间室，从而实现了尿素的回收。此外，本发明通过管道将阳极室和阴极室相连通，并在管道上安装蠕动泵，实现了阴阳两极室中电解液的循环；而尿液中迁移的铵根离子、磷酸根离子通过阴阳两极室形成的内循环与阳极产生的镁离子以及阴极产生的氢氧根离子汇合并发生化合反应，生成了鸟粪石沉淀，可以作为优质的缓释肥，实现了尿液的资源化利用。
本发明还提供了一种回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用上述技术方案所述的装置，包括以下步骤：
(1)向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入电解液，使阳极和阴极与外电路连通形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液，在中间室得到尿素的水溶液；
(2)过滤所述步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
本发明向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入电解液，使阳极和阴极与外电路连通形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液，在中间室得到尿素的水溶液。本发明通过使阳极和阴极与外电路连通形成原电池进行电解对阴阳两极室进行供能，促进离子迁移，使中间室尿液中的阴阳离子定向移动，而不带电的尿素留存于中间室，从而实现了尿素的回收。同时开启蠕动泵使电解液在阴阳两极室中循环流动，从而使尿液中迁移的铵根离子、磷酸根离子与阳极产生的镁离子以及阴极产生的氢氧根离子汇合并发生化合反应，进而生成了鸟粪石沉淀。
在本发明中，所述待处理尿液在中间室及连通进水口和出水口的管道中进行内循环，所述内循环时待处理尿液待的流速优选为1～5mL/min，更优选为2～4mL/min。本发明优选将所述内循环时待处理尿液待的流速限定在上述范围内，有利于实现尿素与其他组分的充分分离。
在本发明中，所述电解液优选包括硫酸钠溶液或水，更优选为硫酸钠溶液。在本发明中，所述硫酸钠溶液的浓度优选为1～2g/L。在本发明中，所述水优选为自来水。
在本发明中，所述电解液在阳极室和阴极室中循环流动的流速优选为2～10mL/min，更优选为3～8mL/min。本发明优选将所述电解液在阳极室和阴极室中循环流动的流速控制在上述范围内，有利于电解液中阴阳离子的充分反应，生成鸟粪石沉淀。
在本发明中，所述待处理尿液中的阳离子优选包括Na+、NH4 +、H+和K+；所述待处理尿液中的阴离子优选包括PO4 3-、Cl-、SO4 2-、CO3 2-和OH-。
本发明优选当所述阳极室或阴极室中电解液中磷浓度＜0.5mg/L，或者中间室中尿液的电导率＜250μs/cm时，断开电路，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液，在中间室得到尿素的水溶液。
在本发明中，所述阳极发生的反应为：Mg→Mg2++2e-；所述阴极发生的反应为：O2+2H2O+4e-→4OH-；所述阳极室或阴极室中发生的反应为：Mg2++HnPO4 3-n+NH4 ++6H2O→MgNH4PO4·6H2O↓+nH+；所述n为0、1、2或3。
得到含鸟粪石的混合液后，本发明过滤所述含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。本发明通过过滤将鸟粪石从混合液中分离出来。
在本发明中，所述过滤所用滤膜的孔径优选为0.45～0.55μm，更优选为0.45μm。
本发明提供的方法利用镁空气燃料电池所产生的电场为驱动，迫使尿液中的阴阳离子进行迁移，从而分离出尿素，无需外源投加，实现了零电耗处理尿液，并且获得了较高的氮磷回收率。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
回收尿素同时生产鸟粪石的装置，由腔体、外电路和外循环系统组成，腔体由沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室组成，阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开，阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开，阳极室和阴极室分别用于盛放电解液，中间室用于盛放待处理尿液；
阳极室和阴极室通过外循环系统相连通，外循环系统由管道和安装于管道上的蠕动泵组成；阳极室中设置镁板阳极，阴极室中设置铂碳空气阴极；外电路由导线和外电阻组成，阳极与阴极通过导线与外电阻串联。
图1为本实施例中的回收尿素同时生产鸟粪石的装置的剖视图，由腔体、外电路和外循环系统组成，腔体由沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室组成，阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开，阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开，阳极室和阴极室通过由软管和安装于软管上的蠕动泵组成的外循环系统相连通；阳极室的侧壁设有阳极流入口和阳极流出口，阴极室的侧壁设有阴极流入口和阴极流出口，阳极流出口与阴极流入口连通，阴极流出口与阳极流入口连通；中间室的顶部和底部分别设有进水口和出水口，进水口和出水口通过软管连通，阳极室中设置镁板阳极，阴极室中设置铂碳空气阴极，阳极与阴极通过导线与外电阻串联。
实施例2
回收尿素同时生产鸟粪石的装置：由腔体、外电路、外循环系统、高精度电压表和数据采集系统，腔体由沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室组成，阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开，阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开，阳极室和阴极室分别用于盛放电解液，中间室用于盛放待处理尿液，阳极室和阴极室通过由软管和安装于软管上的蠕动泵组成的外循环系统相连通；其中，腔体的材质为有机玻璃，尺寸为7cm×7cm×2.5cm，阴极室体积为30mL，阳极室体积为30mL；阳离子交换膜为CMI7000(MembranesIiternational Inc，USA)，尺寸为7cm×7cm，阴离子交换膜为AMI7001(MembranesIiternational Inc，USA)，尺寸为7cm×7cm；阳离子交换膜和阴离子交换膜在使用前用3％氯化钠溶液活化24h；
阳极室的侧壁设有阳极流入口和阳极流出口，阴极室的侧壁设有阴极流入口和阴极流出口，阳极流出口与阴极流入口连通，阴极流出口与阳极流入口连通；中间室的顶部和底部分别设有进水口和出水口，进水口和出水口通过软管连通，并在进水口和出水口之间设置蛇形微流道；其中，蛇形微流道的尺寸为2mm×1mm，有效反应面积为2cm2；
阳极室中设置镁板阳极，阴极室中设置铂碳空气阴极，电极间距为2cm；其中，镁板为AZ31B镁板，厚度为0.3cm，结构为凸字形，凸字形的主体部分的尺寸为5cm×5cm，凸起部分的尺寸为3cm×0.8cm，并在凸字形镁板中凸起部分的下2/3部分涂抹硅胶，然后在室温下干燥48h，直至硅胶凝固；镁板在使用前用手动砂轮打磨，并用无尘纸擦拭干净；
铂碳空气阴极由铜基集流体和Pt/C催化层组成；其制备方为：在铜网表面涂覆防水透气膜，置于马弗炉中在390℃下烧结2h，得到铜基集流体；在上述铜基集流体表面喷涂Pt/C，喷涂量为0.4mg/cm2，压片机压制，得到铂碳空气阴极；
外电路由导线和10Ω外电阻组成，阳极与阴极通过导线与外电阻串联；高精度电压表的正接线柱通过导线与阳极连接，高精度电压表的负接线柱通过导线与阴极连接，高精度电压表通过导线与外电阻并联，数据采用系统通过USB与高精度电压表连接。
实施例3
回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用实施例1中的装置：
(1)待处理尿液：1.5g/LNa2SO4，2.13g/LNaH2PO4·2H2O4，3g/LNaCl，1.06g/LKCl，0.67g/LNH4Cl，0.689g/LNaOH，2.19g/LNH4HCO3，9.09mL/L氨水和14.99g/L尿素，磷的初始浓度为440.12mg/L，初始电导率为13.08ms/cm；向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入1g/LNa2SO4，使阳极和阴极通过导线与外电阻串联形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，流速为10mL/min，使尿液在中间室进行自循环，流速为2mL/min；
阳极镁板和空气阴极自发形成电场，使尿液中的阳离子向阴极室定向迁移，阴离子向阳室极定向迁移，实现尿素分离，在中间室得到尿素的水溶液；同时，镁板产生Mg2+，空气铂碳阴极产生OH-，并与PO4 3-和NH4 +发生化合反应，形成鸟粪石沉淀；循环过程中按0、10、20、30、40、50、60、70、80min时刻点检测中间室和阴阳两极室混合液中磷浓度变化；当阳极室或阴极室中磷浓度＜0.5mg/L，断开电路，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液；
(2)用0.45μm的滤膜过滤步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
测得中间室中尿液的电导率为0.23ms/cm，尿素的浓度为14.78g/L，磷浓度为12.22mg/L，NH4 +-N浓度为17.75mg/L，生成的鸟粪石纯度为85.30％。
图2为本实施例中磷的去除效果及电导率变化图。由图2可以看出，中间室的磷含量和电导率在360min内显著下降，中间室磷含量由25.96mg下降至0.73mg，去除率达97.19％，电导率由13.09ms/cm下降至0.23ms/cm，离子得到了较好的分离。
图3为本实施例中得到的鸟粪石的SEM图。由图3可以看出，本实施例制得的鸟粪石产物多为柱状结构，同商用鸟粪石结构相近。
图4为本实施例中得到的鸟粪石的EDS图。由图4可以看出，本实施例制得的鸟粪石沉淀物主要含有N、O、Mg、P等元素。
图5为本实施例中氮元素进出水变化图。由图5可以看出，进出水中尿素氮得到了大量保留，大部分氨氮被去除。
实施例4
回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用实施例1中的装置：
(1)待处理尿液：1.5g/LNa2SO4，2.13g/LNaH2PO4·2H2O4，3g/LNaCl，1.06g/LKCl，0.67g/LNH4Cl，0.689g/LNaOH，2.19g/LNH4HCO3，9.09mL/L氨水和14.99g/L尿素，磷的初始浓度为440.12mg/L，初始电导率为13.08ms/cm；向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入1g/LNa2SO4，使阳极和阴极通过导线与外电阻串联形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，流速为5mL/min，使尿液在中间室进行自循环，流速为2mL/min；
阳极镁板和空气阴极自发形成电场，使尿液中的阳离子向阴极室定向迁移，阴离子向阳室极定向迁移，实现尿素分离，在中间室得到尿素的水溶液；同时，镁板产生Mg2+，空气铂碳阴极产生OH-，并与PO4 3-和NH4 +发生化合反应，形成鸟粪石沉淀；循环过程中按0、10、20、30、40、50、60、70、80min时刻点检测中间室和阴阳两极室混合液中磷浓度变化；当阳极室或阴极室中磷浓度＜0.5mg/L，断开电路，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液；
(2)用0.45μm的滤膜过滤步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
测得中间室中尿液的电导率为1.15ms/cm，尿素的浓度为14.00g/L，磷浓度为51.08mg/L，NH4 +-N浓度为38.01mg/L，生成的鸟粪石纯度为75.77％。
实施例5
回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用实施例2中的装置：
(1)待处理尿液：1.5g/LNa2SO4，2.13g/LNaH2PO4·2H2O4，3g/LNaCl，1.06g/LKCl，0.67g/LNH4Cl，0.689g/LNaOH，2.19g/LNH4HCO3，9.09mL/L氨水和14.99g/L尿素，磷的初始浓度为440.12mg/L，初始电导率为13.07ms/cm；向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入含有大量Ca2+的自来水，使阳极和阴极通过导线与外电阻串联形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，流速为10mL/min，使尿液在中间室进行自循环，流速为2mL/min；
阳极镁板和空气阴极自发形成电场，使尿液中的阳离子向阴极室定向迁移，阴离子向阳室极定向迁移，实现尿素分离，在中间室得到尿素的水溶液；同时，镁板产生Mg2+，空气铂碳阴极产生OH-，并与PO4 3-和NH4 +发生化合反应，形成鸟粪石沉淀；循环过程中按0、10、20、30、40、50、60、70、80min时刻点检测中间室和阴阳两极室混合液中磷浓度变化；当阳极室或阴极室中磷浓度＜0.5mg/L，断开电路，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液；
(2)用0.45μm的滤膜过滤步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
测得中间室中尿液的电导率为1.18ms/cm，尿素的浓度为14.00g/L，磷浓度为15.76mg/L，NH4 +-N浓度为24.99mg/L，生成的鸟粪石纯度为70.30％。
由以上实施例可以看出，本发明提供的装置实现了尿液中尿素的高效回收，同时生产了鸟粪石，采用本发明提供的装置处理尿液，测得处理后中间室中尿素的浓度为14.78g/L，磷浓度为12.22mg/L，NH4 +-N浓度为17.75mg/L，尿液的电导率为0.23ms/cm，实现了尿素与其他成分的分离；并且，得到了纯度为85.30％的鸟粪石。
以上所述仅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 (9)

1.一种回收尿素同时生产鸟粪石的装置，包括腔体、外电路和外循环系统；
所述腔体包括沿水平方向依次设置的阳极室、中间室和阴极室；
所述阳极室和中间室之间由阴离子交换膜隔开；所述阴极室和中间室之间由阳离子交换膜隔开；所述阳极室和阴极室分别用于盛放电解液；所述中间室用于盛放待处理尿液；
所述阳极室和阴极室通过外循环系统相连通；所述外循环系统包括管道和安装于所述管道上的蠕动泵；
所述阳极室的侧壁设有阳极流入口和阳极流出口，所述阴极室的侧壁设有阴极流入口和阴极流出口，所述阳极流出口与阴极流入口连通，所述阴极流出口与阳极流入口连通；
所述阳极室中设置阳极，所述阳极为镁板；所述阴极室中设置阴极，所述阴极为铂碳空气阴极；所述镁板产生Mg2+，所述铂碳空气阴极产生OH-；
所述外电路包括导线和外电阻；所述阳极与阴极通过导线与外电阻串联。
2.根据权利要求1所述的回收尿素同时生产鸟粪石的装置，其特征在于，所述中间室的顶部和底部分别设有进水口和出水口，所述进水口和出水口通过管道连通。
3.根据权利要求2所述的回收尿素同时生产鸟粪石的装置，其特征在于，所述中间室的内部，在进水口和出水口之间设置蛇形微流道。
4.一种回收尿素同时生产鸟粪石的方法，使用权利要求1～3任一项所述的装置，包括以下步骤：
(1)向中间室中通入待处理尿液，向阳极室和阴极室中分别通入电解液，使阳极和阴极与外电路连通形成原电池进行电解，同时开启蠕动泵使电解液在阳极室和阴极室中循环流动，在阳极室和阴极室得到含鸟粪石的混合液，在中间室得到尿素的水溶液；
(2)过滤所述步骤(1)得到的含鸟粪石的混合液，得到鸟粪石。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的待处理尿液在中间室及连通进水口和出水口的管道中进行内循环，所述内循环时待处理尿液的流速为1～5mL/min。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的电解液包括硫酸钠溶液或水。
7.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中电解液在阳极室和阴极室中循环流动的流速为2～10mL/min。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中待处理尿液中的阳离子包括Na+、NH4 +、H+和K+，待处理尿液中的阴离子包括PO4 3-、Cl-、SO4 2-、CO3 2-和OH-。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中过滤所用滤膜的孔径为0.45～0.55μm。
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