CN202576055U - 电化学还原硝酸盐装置 - Google Patents

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李淼
冯传平
张振亚
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Abstract

本实用新型公开了一种电化学还原硝酸盐装置，包括一个电解槽，电解槽内设置有阴极和阳极，阴极和阳极分别通过电线和电源连接，所述阴极为Ti纳米电极，阳极为Ti/Pt电极。本实用新型结构简单巧妙，使用Ti纳米电极，在一个电化学反应槽内有效地去除硝酸盐，无需其它辅助的处理装置，是一种有效地去除地下水中硝酸盐的电化学装置。

Description

电化学还原硝酸盐装置
技术领域
本实用新型涉及一种电化学还原硝酸盐装置。
背景技术
随着经济的发展，许多国家的地下水都受到不同程度的硝酸盐污染。80年代以来，我国地下水硝酸盐污染越来越严重，对41个城市的监测数据表明当时己有1/3的城市地下水中存在硝酸盐污染问题，一些地区污染十分严重。
世界卫生组织(WHO)现行标准制定于1984年，其对饮用水中硝酸盐氮含量的指导性标准为10 mg /L，推荐标准为5 mg /L。美国的标准为10 m g/L。我国2012年7月起正式执行的新《生活饮用水卫生标准》也规定饮用水中硝酸盐氮不得超过10 mg/L。饮用高硝酸盐含量的地下水会给人类健康造成危害，硝酸盐对人体的危害主要是由于其在人体内被还原为亚硝酸盐所引起的，这种还原作用发生在任何年龄段人体的唾液中和小于三个月婴儿的消化道中。亚硝酸盐能导致高铁血红蛋白症和诱发多种癌症，在较大剂量时还对人体血管神经和心血管系统存在不良影响。
对受硝酸盐污染的饮用水净化，主要有物理法、化学法、生物法和这些方法的复合集成法。物理处理法不具有对硝酸盐的还原分解作用，因此该工艺最大的缺点就是存在废液的排放问题，处理不当会造成环境的二次污染。化学处理法主要是催化还原法，反应产物很难将硝酸盐完全还原成无害的氮气，并且会产生金属离子、金属氧化物或水合金属氧化物等导致二次污染，所以对后续处理要求较高。目前的生物反硝化法由于地下水中的营养缺乏，普遍存在处理效率低、抗负荷冲击能力弱等缺点。
电化学法利用电子作为洁净的氧化还原反应参与物，直接地或间接地进行化学物质间的转换，不需要象化学过程中那样大量应用氧化剂或还原剂；但由于电化学法还原去除硝酸盐存在亚硝酸盐及氨的生成问题，迄今为止一直未得到有效的解决，限制了其实用化。
在电化学硝酸盐还原方面，已经有电化学法将硝酸盐还原成氨或其它气态氮化合物，然后再利用化学催化法把生成的氨氮氧化成无害的氮气从而达到去除硝酸盐的专利；金属改性活性炭纤维电极和用该电极去除硝酸盐的方法的专利，但是这些专利只提供了用金属改性活性炭纤维电极将硝酸盐还原的电化学方法，而未提供硝酸盐还原副产物（主要是铵盐）去除的方法。另外，在以往的文献中已有利用电化学法氧化废水中的氨氮的研究，但存在其副产物硝酸盐去除的问题。有研究者采用Ti电极去除硝酸盐，虽然能够将硝酸盐去除，但硝酸盐的去除率较低。
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种电化学还原硝酸盐装置，它结构简单巧妙，使用Ti纳米电极，在一个电化学反应槽内有效地去除硝酸盐，无需其它辅助的处理装置，是一种有效地去除地下水中硝酸盐的电化学装置。
为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提供了一种电化学还原硝酸盐装置，包括一个电解槽，电解槽内设置有阴极和阳极，阴极和阳极分别通过电线和电源连接，所述阴极为Ti纳米电极，阳极为Ti/Pt电极。
阴极和阳极之间可以由高分子离子交换膜隔开，电解槽为多槽形式。
所述电源为一个直流稳压器，其有效电压为0-100V，有效电流为0-10A。
本实用新型中硝酸盐去除的原理是：硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，从而达到硝酸盐去除的目的。
本实用新型中完全去除硝酸盐过程中的反应式如下：
阴极附近：
NO3 - + H2O + 2e- = NO2 - + 2OH-         (1)
NO3 - + 3H2O + 5e- = 1/2N2 + 6OH-       (2)
NO2 - + 5H2O + 6e- = NH3 + 7OH-        (3)
2NO2 - + 4H2O + 6e- = N2 + 8OH-        (4)
2H2O + 2e- = H2 + 2OH- (副反应)        (5)
本实用新型的特点是:
1、反应器制作简单、操作方便，自动化程度高；所有处理可以在单一的反应装置中完成；
2、反应器去除硝酸盐效率比使用Ti阴极高，能够将硝酸盐全部去除且无副产物生成；
3、反应器出水水质好，抗负荷变动能力强；不需沉淀装置，可节省二次处理成本。
附图说明
图1为本实用新型单槽形式的结构示意图。
图2为多槽形式的电解槽结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供了一种电化学还原硝酸盐装置，包括一个电解槽1，电解槽为一个容积为50 ml的圆柱形水槽，由聚乙烯制成，电解槽内设置有阴极2和阳极3，阴极和阳极分别通过电线和电源4连接，阴极为Ti纳米电极，阳极为Ti/Pt电极。
电源是一个直流稳压器电源，其有效电压为0-100V，有效电流为0-10A。每次电解的硝酸盐溶液体积为50 ml。
电解槽可为圆柱形、四方柱形等形状；阴阳电极置于电解槽中，如图2所示，电极间可用高分子离子交换膜5隔开，使电解槽成为多槽形式；电极间也可不用置放离子交换膜，电解槽成为单槽形式。电极形状没有特殊要求，可以是板状、网状、圆筒形或线状等，根据需要而定。
实验中将人工合成硝酸盐污染水（NO3 —N 100 mg/L; Na2SO4 0.5 g/L）50 mL放入到电解槽中，开启电源，调节电流，使电流为0.4A。
若使用阴极为Ti阴极，则反应120分钟后硝酸盐氮浓度从100 mg/L降到81mg/L；
而若使用阴极为Ti纳米阴极，则反应120分钟后硝酸盐氮浓度从100 mg/L降到65 mg/L，去除速率比使用Ti电极提高了26%，大大提高了硝酸盐的去除效率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种电化学还原硝酸盐装置，其特征在于：包括一个电解槽，电解槽内设置有阴极和阳极，阴极和阳极分别通过电线和电源连接，所述阴极为Ti纳米电极，阳极为Ti/Pt电极。
2.如权利要求1所述的电化学还原硝酸盐装置，其特征在于：阴极和阳极之间由高分子离子交换膜隔开，电解槽为多槽形式。
3.如权利要求1或2所述的电化学还原硝酸盐装置，其特征在于：所述电源为一个直流稳压器，其有效电压为0-100V，有效电流为0-10A。
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