CN114956400B - 电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法 - Google Patents

电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，该装置包括以阳极室‑阳离子交换膜‑质子传导层‑阴离子交换膜‑废水室‑阳离子交换膜‑氢氧根传导层‑阴离子交换膜‑阴极室的顺序构建的膜电极反应器；其中，质子传导层内填充固态阴离子聚合物电解质，氢氧根传导层内填充固态阳离子聚合物电解质。本发明利用固态电解质，使NH4 +与OH‑在氢氧根传导层中高效复合，提高了废水中氨氮的回收通量，避免了传统的体相溶液环境下OH‑为维持高碱性环境被过多消耗的问题；同时在质子传导层中实现了挥发性无机酸的提取，并用作氨吸收产生高附加值铵盐；且构建的膜电极反应体系，极大地提高了电荷利用效率，降低了氨氮回收能耗。

Description

电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法
技术领域
本发明涉及氨氮回收技术领域，尤其涉及一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法。
背景技术
氮是生命必需的营养素，其生物可利用形式铵态氮(NH4 +-N)被广泛用于农作物种植领域，为不断增长的人口增加粮食产量。然而，从大气中固氮的哈伯法作为一个能源密集型的工艺，其CO2排放量约占全球CO2排放量的 1.6％。氨基氮肥作为总氨氮(TAN)的主要商业用途，却仅有约17％通过农作物或牲畜消耗，有大量的氮流失到水生态系统中，这不仅会影响水体中的生物多样性，也会带来水体富营养化等一系列环境问题。基于生物硝化反硝化的传统污水处理厂面临的高脱氮负荷(仅脱氮过程耗能12.5kWh/kgN)的问题，可持续的氨回收将助力“减污降碳”的新生态文明建设理念。
基于疏水透气膜的跨膜化学吸收(TMCS)已经被证明能够有效地进行氨回收，然而，TMCS需要不断地添加碱来维持废水的高pH值(＞10)，以将铵(NH4 +)转化为挥发性氨(NH3)；基于化学品使用、动力供应等运营成本的估算，TMCS系统耗能约为12.44kWh/kgN，因此缺乏一定的经济性。
近年来，电化学系统(eANR)因其工艺集成、无试剂投加等优势提供了一种绿色回收氨方案。首先，该系统在阴极产生OH-来提供阴极室中的高 pH值，通过电迁移驱动TAN跨过阳离子交换膜(CEM)传输到阴极室；然后，NH4 +在阴极室去质子化形成NH3，NH3再通过TMCS实现回收。文献(Gas-diffusion-electrode based direct electro-stripping systemfor gaseous ammonia recovery from livestock wastewater,Water Research,196(2021))公开了一种基于气体扩散阴极从畜禽废水中回收氨的设计；该系统仅包括废水室以及回收氨的阴极室，其中阴极室位于阳离子交换膜和气体扩散电极之间一个非常狭窄的空间，能够维持高碱性环境以便于NH4 +立即转化为NH3；在电流密度10mA/cm2的条件下，上述系统虽然能够实现890gN/m2/d的高氨通量，但是其比能耗达到了7.42kWh/kgN。文献(Bipolar Membrane Electrodialysis for Ammonia Recovery from Synthetic Urine:Experiments, Modeling,and Performance Analysis,Environ.Sci.Technol.2021,55,14886- 14896)公开了一种利用双极膜电渗析回收废水中氨氮的方法；该系统利用电化学反应耦合双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜分隔形成四电解槽，包括阳极室、废水室、酸室和阴极室；其中，氨氮废水通入系统后，在外电场的作用下，双极膜产生的OH-迁移到废水中，再将废水通入独立的TMCS组件进行氨回收；由于双极膜的特性，该系统可利用在酸室中产生的酸同步吸收废水中的氨氮，与传统电化学回收氨氮的方法相比更加绿色清洁；但是该系统产生的OH-需要大量应用于保持废水室中的强碱性环境，大大降低了体系的电荷利用效率。综上，高能耗仍然是制约电化学氨回收技术实际应用的主要瓶颈。
有鉴于此，有必要设计一种改进的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，通过利用电化学反应耦合固态阴阳离子聚合物电解质构建的膜电极反应器；该反应器利用固态电解质，使NH4 +与OH-的复合发生在固相中，打破了对液体中OH-的浓度依赖，避免了OH-的浪费，提高了体系的电荷利用效率，进而实现了更低能耗的氨回收。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，该装置包括以阳极室-阳离子交换膜-质子传导层-阴离子交换膜-废水室-阳离子交换膜-氢氧根传导层-阴离子交换膜-阴极室的顺序构建的膜电极反应器；所述质子传导层内设有固态阴离子聚合物电解质，所述氢氧根传导层内设有固态阳离子聚合物电解质；所述废水室中的Cl-和NH4 +分别与所述阳极室生成的H+离子、所述阴极室生成的OH-离子在固态聚合物电解质层中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收。
作为本发明的进一步改进，所述固态阴离子聚合物电解质的功能基团包含磺酸基团；所述固态阳离子聚合物电解质的功能基团包含季铵盐基团。
作为本发明的进一步改进，所述回收废水中氨氮的装置还设有回收室；所述回收室分别连通所述质子传导层和所述氢氧根传导层，用于回收所述质子传导层挥发出的氯化氢，得到盐酸溶液，并作为所述氢氧根传导层逸出的氨气的吸收液。
作为本发明的进一步改进，所述阳极室设有析氧电极；所述阴极室设有氧还原电极。
作为本发明的进一步改进，所述阴极室设有气体通入装置；所述阳极室设有气体收集装置；所述气体收集装置连通所述气体通入装置，将所述阳极室产生的氧气循环至所述阴极室利用。
作为本发明的进一步改进，所述析氧电极为负载析氧催化剂的电极，所述氧还原电极为负载氧还原催化剂的气体扩散电极。
作为本发明的进一步改进，所述固态阴离子聚合物电解质和所述固态阳离子聚合物电解质均为多孔的微球颗粒，所述微球颗粒的孔径为2nm～2μm，优选为2～100nm；微球颗粒直径为50～300μm，优选为50～100μm。
作为本发明的进一步改进，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度为 30～200μm，优选为50～183μm。
一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，采用上述任一项所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置进行废水中氨氮的回收，包括以下步骤：
S1、将废水循环通入所述装置的废水室中，将空气经气体通入装置通入阴极室；并通过外直流电路向阳极室的析氧电极和阴极室的氧还原电极施加电压；
S2、废水中以NH4 +为主的阳离子在电场作用下向氧还原电极的方向迁移，穿过阳离子交换膜进入氢氧根传导层，并在所述阳离子交换膜和固态阳离子聚合物电解质的界面处富集；同时，阴极室产生的OH-穿过阴离子交换膜，通过所述固态阳离子聚合物电解质传导到NH4 +离子周围与其复合形成氨气并挥发出来，进入回收室被收集；
废水中以Cl-为主的阴离子在电场作用下向析氧电极的方向迁移，穿过阴离子交换膜进入质子传导层，并在所述阴离子交换膜和固态阴离子聚合物电解质的界面处富集；同时，阳极室产生的H+离子穿过阳离子交换膜，通过所述固态阴离子聚合物电解质传导运输至Cl-离子周围与其复合形成氯化氢分子并挥发出来，进入回收室被收集得到盐酸溶液，所述盐酸溶液作为回收氨气的吸收液。
作为本发明的进一步改进，所述外电路施加的电流密度为10～4000A/m2，优选为50～1000A/m2；所述废水的浓度大于100mg/L，优选为500～10000mg/L。
本发明的有益效果是：
1、本发明的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，该装置依次以阳离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜分隔形成的膜电极反应器；其中，质子传导层内填充固态阴离子聚合物电解质，氢氧根传导层内填充固态阳离子聚合物电解质；废水室中的Cl-和NH4 +分别与阳极室生成的H+离子、阴极室生成的OH-离子在固态聚合物电解质层中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收。该装置利用电化学反应耦合固态离子聚合物电解质构建膜电极反应体系，打破了传统电化学回收氨的方式对液体中 OH-的浓度依赖，避免了OH-的浪费；极大地提高电荷的利用效率，从而提升氨氮的回收通量，降低体系的能耗。
2、本发明的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，利用固态电解质使NH4 +与OH-在氢氧根传导层中复合，避免了传统方法中体相溶液环境下OH-为了维持高碱性环境，而造成OH-的浪费，使产生的OH-更为高效与NH4 +结合，提高了废水中氨氮的回收通量；同时在质子传导层中实现了挥发性无机酸的提取，并用作氨吸收产生高附加值铵盐；并且构建的膜电极反应体系，打破了传统电化学回收氨的方式对体相溶液中OH-的浓度依赖，极大地提高了电荷的利用效率，降低了氨氮回收能耗。
3、本发明通过控制固态阴离子聚合物电解质和固态阳离子聚合物电解质的颗粒尺寸和孔径大小，可以调控离子传导速率，进而提高废水中氨氮的回收效率；还可以通过限定阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度，使得膜电极反应体系中的阴阳离子保持最佳的渗透率，以维持膜电极反应器的正常工作。
4、本发明在回收废水中氨氮的同时，能够将废水中主要的阴离子Cl-离子进行回收，并设置回收室得到较高浓度及纯度的盐酸溶液；同时，该盐酸溶液可作为回收废水中氨氮时产生的氨气的吸收液，提高了资源的回收利用率。另外，本发明的阳极室产生的氧气可收集输送至阴极室循环利用，实现资源的最大化利用，节约了回收成本。
附图说明
图1为本发明一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置的结构及工作原理图。
图2为本发明实施例2随时间变化的电荷利用效率和氨氮通量图。
附图标记
1-阳极室；11-析氧电极；12-析氧催化剂；2-阳离子交换膜；3-质子传导层；31-固态阴离子聚合物电解质；4-阴离子交换膜；5-废水室；6-氢氧根传导层；61-固态阳离子聚合物电解质；7-阴极室；71-氧还原电极；72-氧还原催化剂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，该装置包括以阳极室1-阳离子交换膜2-质子传导层3-阴离子交换膜4-废水室 5-阳离子交换膜2-氢氧根传导层6-阴离子交换膜4-阴极室7的顺序构建的膜电极反应器；其中，质子传导层3内设有固态阴离子聚合物电解质31，氢氧根传导层6内设有固态阳离子聚合物电解质61；废水室5中的阴阳离子分别与阳极室1生成的H+离子和阴极室7生成的OH-离子在固态阴阳离子聚合物电解质发生复合，实现氨氮的低能耗回收。该装置利用电化学反应耦合固态阴阳离子聚合物电解质构建膜的电化学提氨器件，打破了传统电化学回收氨的方式对液体中OH-的浓度依赖，避免了OH-的浪费；极大地提高了电荷的利用效率，降低了氨氮回收能耗。
特别地，回收废水中氨氮的装置还设有回收室；回收室分别连通质子传导层3和氢氧根传导层6，用于回收质子传导层3挥发出的氯化氢，得到盐酸溶液，并作为氢氧根传导层6逸出的氨气的吸收液。阴极室7设有气体通入装置；阳极室1设有气体收集装置；气体收集装置连通气体通入装置，将阳极室产生的氧气循环至阴极室重新利用。如此设置，在回收废水中氨氮的同时，能够将废水中主要的阴离子Cl-离子进行回收，并得到较高浓度及纯度的盐酸溶液，该盐酸溶液可作为回收废水中氨氮时产生的氨气的吸收液，提高了资源的回收利用率。另外，阳极室1产生的氧气收集输送至阴极室7循环利用，实现资源的最大化利用，节约了回收成本。
具体地，固态阴离子聚合物电解质31包含磺酸基团；固态阳离子聚合物电解质61包含季铵盐基团。固态阴离子聚合物电解质31和固态阳离子聚合物电解质71的孔径为2nm～2μm，优选为2～100nm；颗粒尺寸为50～300μm，优选为 50～100μm。阳离子交换膜2和阴离子交换膜4的厚度为30～200μm，厚度优选为50～183μm。因为阴阳离子需要穿过固态阴阳离子聚合物电解质的固相，其孔隙和颗粒尺寸的大小都会对离子的通过造成影响；因此可以通过固态阴阳离子聚合物电解质的孔径和尺寸来调控离子传导速率，进而提高废水中氨氮的回收效率。另外，还可以通过限定阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度，使得阴阳离子保持最佳的渗透率，以维持膜电极反应器的正常工作。
在一些具体的实施例中，固态阴离子聚合物电解质31为阳离子交换树脂，例如001*7树脂、D001树脂、Dowex 1X8树脂、Dowex 1X4树脂；固态阳离子聚合物电解质71为阴离子交换树脂，例如201×7树脂、201×4树脂、D201树脂、213树脂、D730树脂、Dowex 50WX8树脂、Dowex 50WX2树脂等。阳离子交换膜2采用Nafion隔膜，例如Nafion 117、Nafion 115或Nafion 112等；阴离子交换膜4采用FAB-130或者FAA-130等膜材料。
阳极室1设有析氧电极11，析氧电极11上负载析氧催化剂12；阴极室7 设有氧还原电极71，氧还原电极71上负载有氧还原催化剂72。氧还原电极71 为气体扩散电极；电极的面积和形状没有限定，可根据实际应用场景进行选择。
在一些具体的实施例中，阳极室1的析氧催化剂12为任意一种析氧催化剂即可，如铱、氧化铱、钌等；阴极室7的氧还原催化剂72为任意一种氧还原催化剂即可，如铂碳、二氧化钌等。
一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，采用上述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置进行废水中氨氮的回收，包括以下步骤：
S1、将废水循环通入装置的废水室5中，将空气经气体通入装置通入阴极室7；并通过外电路向阳极室1的析氧电极11和阴极室7的氧还原电极71施加电压；
S2、废水中以NH4 +为主的阳离子在电场作用下向氧还原电极71的方向迁移，穿过阳离子交换膜2进入氢氧根传导层6，并在阳离子交换膜2和固态阳离子聚合物电解质61的界面处富集；同时，阴极室7产生的OH-穿过阴离子交换膜4，通过固态阳离子聚合物电解质61将OH-传导到NH4 +离子周围与其复合形成氨气并挥发出来，进入回收室。
废水中以Cl-为主的阴离子在电场作用下向析氧电极1的方向迁移，穿过阴离子交换膜4进入质子传导层3，并在阴离子交换膜4和固态阴离子聚合物电解质31的界面处富集；同时，阳极室1产生的H+离子穿过阳离子交换膜2，通过固态阴离子聚合物电解质31传导运输至Cl-离子周围与其复合形成氯化氢分子并挥发出来，进入回收室被收集得到盐酸溶液，盐酸溶液作为回收氨气的吸收液。
特别地，本发明利用了固态阴阳离子聚合物电解质的固态电解质，使 NH4 +离子与OH-离子的复合界面处于固相中，避免了传统方法中液体环境下 OH-为了维持高碱性环境，而造成OH-的浪费，使得产生的OH-更多的被利用，提高了废水中氨氮的回收效率，使得整个回收过程更加环保。
具体地，在阳极室1发生的反应为2H2O→4H++O2+4e-，该反应体系理论电位较低，能够在一定程度上降低体系能耗；阴极室7发生的反应为 O2+2H2O+4e-→4OH-。阳极室1产生的氧气经收集后，可以输送至阴极室 7循环利用，实现资源的最大化利用，节约了回收成本。
在具体的实施例中，外电路施加的电流密度为10～4000A/m2，优选为 50～1000A/m2；废水的浓度大于100mg/L，优选为500～10000mg/L。
实施例1
本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，该装置包括以阳极室1-阳离子交换膜2-质子传导层3-阴离子交换膜4-废水室5-阳离子交换膜2-氢氧根传导层6-阴离子交换膜4-阴极室7的顺序构建的膜电极反应器。其中，质子传导层3内设有固态阴离子聚合物电解质31，氢氧根传导层6 内设有固态阳离子聚合物电解质61；阳极室1设有析氧电极11和析氧催化剂12氧化铱；阴极室7设有氧还原电极71和氧还原催化剂72铂碳。固态阴离子聚合物电解质31和固态阳离子聚合物电解质71的孔径范围为5-20nm，颗粒尺寸为50-80μm。阳离子交换膜2和阴离子交换膜4的厚度为183μm。
实施例2
本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，采用实施例1提供的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置进行废水中氨氮的回收，包括以下步骤：
S1、将废水循环通入装置的废水室5中，废水的浓度为1400mg/L，pH为7，进水速率为1mL/min；将空气经气体通入装置通入阴极室7；并通过外电路向阳极室1的析氧电极11和阴极室7的氧还原电极71施加电压；外电路施加的电流密度为10mA/cm2；
S2、废水中以NH4 +为主的阳离子在电场作用下向氧还原电极71的方向迁移，穿过阳离子交换膜2进入氢氧根传导层6，并在阳离子交换膜2和固态阳离子聚合物电解质61的界面处富集；同时，阴极室7产生的OH-穿过阴离子交换膜4，通过固态阳离子聚合物电解质61传导到NH4 +离子周围与其复合形成氨气并挥发出来，进入回收室；
废水中以Cl-为主的阴离子在电场作用下向析氧电极1的方向迁移，穿过阴离子交换膜4进入质子传导层3，并在阴离子交换膜4和固态阴离子聚合物电解质31的界面处富集；同时，阳极室1产生的H+离子穿过阳离子交换膜2，通过固态阴离子聚合物电解质31传导运输至Cl-离子周围与其复合形成氯化氢分子并挥发出来，进入回收室被收集得到盐酸溶液，盐酸溶液作为回收氨气的吸收液。
请参阅图2所示，图2为随时间变化的电荷利用效率和氨氮通量图。从图中可以看出，在10mA/cm2的电流密度下，体系8h内的平均电荷利用效率能达到80％左右，即有80％的电流是由NH4 +与OH-的结合所提供的，对应的比能耗仅需5.54kWh/kg N，远低于现有技术的文献所报道的比能耗。与此同时，在8h的稳定运行中，平均氨氮通量最高能达到994.16gN/m2/d，也处于相有利的水平。
实施例3
本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，与实施例2不同之处在于，固态阴离子聚合物电解质31和固态阳离子聚合物电解质71的孔径为50-100nm；其余大致与实施例2相同，在此不再赘述。
实施例4
本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，与实施例2不同之处在于，固态阴离子聚合物电解质31和固态阳离子聚合物电解质71的颗粒尺寸为80-100μm，其余大致与实施例2相同，在此不再赘述。
实施例5
本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，与实施例2不同之处在于，阳离子交换膜2和阴离子交换膜4的厚度为83μm，其余大致与实施例2相同，在此不再赘述。
对比例1
对比例1提供了一种本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，与实施例2不同之处在于，对比例1的固态阴离子聚合物电解质31和固态阳离子聚合物电解质71的孔径为5-20μm，其余大致与实施例2相同，在此不再赘述。
对比例2
对比例2提供了一种本实施例提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，与实施例2不同之处在于，固态阴离子聚合物电解质31 和固态阳离子聚合物电解质71的颗粒尺寸为300-350μm；其余大致与实施例 2相同，在此不再赘述。
对比例3
对比例3提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的方法，对比例3的阳离子交换膜2和阴离子交换膜4的厚度25μm；其余大致与实施例 2相同，在此不再赘述。
对实施例2～5和对比例1～3回收废水中氨氮的体系运行8h中的数据指标进行测试，结果如下表所示。
表1实施例2～5和对比例1～3的回收废水中氨氮的各数据指标
  平均电荷利用效率/％ 比能耗/kWh/kgN <![CDATA[氨氮通量/gN/m<sup>2</sup>/d]]>
实施例2 79.3 5.54 994.16
实施例3 78.5 5.86 983.97
实施例4 73.4 6.44 920.66
实施例5 75.8 5.56 949.81
对比例1 53.6 8.76 671.50
对比例2 66.6 8.24 835.41
对比例3 58.9 8.22 738.41 
由表1可知，由实施例和对比例的数据可以看出，固态阴离子聚合物电解质和固态阳离子聚合物电解质的孔径范围及颗粒直径和阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度均处于优选范围内时，该装置均能实现较高的平均电荷利用效率，从而在较低能耗下实现高效地氨氮回收。
当固态聚合物电解质的孔径过大时，会引起质子传导层及氢氧根传导层中含水量较高，由于稀释效应导致H+和OH-的浓度有所降低，降低了平均电荷利用效率和氨氮通量；当固态聚合物电解质颗粒直径过大时，会引起系统的阻抗增大，造成体系因电压增大而导致的能耗增加；当阳离子交换膜的厚度减小时，会降低膜对NH4 +离子的选择性，使废水中的同名阳离子更多的穿过膜，从而降低了平均的电荷利用效率和氨氮通量。
综上所述，本发明提供了一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置及方法，该装置包括以阳极室-阳离子交换膜-质子传导层-阴离子交换膜 -废水室-阳离子交换膜-氢氧根传导层-阴离子交换膜-阴极室的顺序的膜电极反应器；其中，质子传导层内设有固态阴离子聚合物电解质，氢氧根传导层内设有固态阳离子聚合物电解质；废水室中的阴阳离子分别与阳极室生成的 H+离子、阴极室生成的OH-离子在固态聚合物电解质中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收。该装置利用电化学反应耦合阴固态阴离子聚合物电解质构建膜电极反应体系，打破了传统电化学回收氨的方式对液体中OH-的浓度依赖，避免了OH-的浪费；极大地提高电荷的利用效率，从而提升氨氮的回收通量，降低体系的能耗。本发明利用了固态阴阳离子聚合物电解质的固态电解质，使NH4 +离子与OH-离子的复合界面处于固相中，避免了传统方法中液体环境下OH-为了维持高碱性环境，而造成OH-的浪费，使得产生的OH-更多的被利用，提高了废水中氨氮的回收效率，使得整个回收过程更加节能降碳。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，该装置包括以阳极室-阳离子交换膜-质子传导层-阴离子交换膜-废水室-阳离子交换膜-氢氧根传导层-阴离子交换膜-阴极室的顺序构建的膜电极反应器；所述质子传导层内设有固态阴离子聚合物电解质，所述氢氧根传导层内设有固态阳离子聚合物电解质；所述废水室中的Cl-和NH4 +分别与所述阳极室生成的H+、所述阴极室生成的OH-在固态聚合物电解质层中发生复合，实现废水中氨氮的低能耗回收；所述固态阴离子聚合物电解质的功能基团包含磺酸基团；所述固态阳离子聚合物电解质的功能基团包含季铵盐基团；所述固态阴离子聚合物电解质和所述固态阳离子聚合物电解质均为多孔的微球颗粒；所述微球颗粒的孔径为2nm~2µm，微球颗粒直径为50~300µm；
采用所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置进行废水中氨氮的回收，包括以下步骤：
S1、将废水循环通入所述装置的废水室中，将空气经气体通入装置通入阴极室；并通过外电路向阳极室的析氧电极和阴极室的氧还原电极施加电压；
S2、废水中以NH4 +为主的阳离子在电场作用下向氧还原电极的方向迁移，穿过阳离子交换膜进入氢氧根传导层，并在所述阳离子交换膜和固态阳离子聚合物电解质的界面处富集；同时，阴极室产生的OH-穿过阴离子交换膜，通过所述固态阳离子聚合物电解质传导到NH4 +周围与其复合形成氨气并挥发出来，进入回收室被收集；
废水中以Cl-为主的阴离子在电场作用下向析氧电极的方向迁移，穿过阴离子交换膜进入质子传导层，并在所述阴离子交换膜和固态阴离子聚合物电解质的界面处富集；同时，阳极室产生的H+穿过阳离子交换膜，通过所述固态阴离子聚合物电解质传导运输至Cl-周围与其复合形成氯化氢分子并挥发出来，进入回收室被收集得到盐酸溶液，所述盐酸溶液作为回收氨气的吸收液。
2.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述回收废水中氨氮的装置还设有回收室；所述回收室分别连通所述质子传导层和所述氢氧根传导层，用于回收所述质子传导层挥发出的氯化氢，得到盐酸溶液，并作为所述氢氧根传导层逸出的氨气的吸收液。
3.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阳极室设有析氧电极；所述阴极室设有氧还原电极。
4.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阴极室设有气体通入装置；所述阳极室设有气体收集装置；所述气体收集装置连通所述气体通入装置，将所述阳极室产生的氧气循环至所述阴极室利用。
5.根据权利要求3所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述析氧电极为负载析氧催化剂的电极，所述氧还原电极为负载氧还原催化剂的气体扩散电极。
6.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述微球颗粒的孔径为2~100nm，微球颗粒直径为50~100µm。
7.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度为30~200µm。
8.根据权利要求7所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜的厚度为50~183µm。
9.根据权利要求1所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述外电路施加的电流密度为10~4000A/m2，所述废水的浓度大于100 mg/L。
10.根据权利要求9所述的电化学耦合固态电解质回收废水中氨氮的装置，其特征在于，所述外电路施加的电流密度为50~1000A/m2；所述废水的浓度为500~10000 mg/L。
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