CN204529405U - 一种处理水中硝酸盐的电解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种处理水中硝酸盐的电解装置，其包括：电解槽；其内具有位于所述电解槽中部的阴极室(11)以及分别位于所述电解槽两侧的第一阳极室(10)和第二阳极室(12)；其中所述第一阳极室(10)通过第一离子交换膜(5)与所述阴极室(11)隔开，所述第二阳极室(12)通过第二离子交换膜(6)与所述阴极室(11)隔开；4个电极极板，包括位于所述第一阳极室(10)中的第一阳极极板(1)、位于所述第二阳极室(12)中的第二阳极极板(4)以及位于所述阴极室(11)中的第一多孔阴极极板(3)和第二多孔阴极极板(2)以及2个电源。本实用新型的电解装置结构简单且设计巧妙，无需其他辅助装置即可以有效去除水中的硝酸盐。
Description
技术领域
本实用新型属于电化学技术领域，具体涉及一种处理水中硝酸盐的电解装置。
背景技术
水构成了自然界的水文循环，也是人类生存必不可少的物质。世界范围内水中硝酸盐的污染已经呈现出日益严重的趋势，我国的情况更不容乐观。过量含氮化肥的使用、生活污水和工业废水的不达标排放、污水的不合理灌溉、固体废弃物的淋滤下渗以及大气中氮氧化物的干湿沉降等都会导致水被硝酸盐污染。长期饮用含高硝酸盐氮的水将对人体健康产生严重的危害。虽然硝酸盐本身毒性很低，但是摄入人体内的硝酸盐可在口腔、肠道以及胃中酶的作用下被还原为亚硝酸盐，而亚硝酸盐的毒性为硝酸盐毒性的11倍。亚硝酸盐易与血红蛋白反应形成高铁血红蛋白，影响血液对氧的传输能力，导致婴儿易患高铁血红蛋白症(蓝婴症)；亚硝酸盐在胃中能形成高度致癌的亚硝胺和亚硝酰氨，并引发诱变；在较大剂量时，亚硝酸盐还对人体血管神经和心血管系统存在不良的影响。世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐单浓度不超过10mg/L，推荐标准为5mg/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的含量不超过10mg/L。因此，必须对含过量硝酸盐的水进行处理，以保证供水安全。
目前对含硝酸盐水的处理技术主要包括物理法、化学法和生物法。物理法主要是通过膜分离技术和离子交换技术，本质是将NO3 -转移和浓缩，并未真正做到无害化处理，该技术最大的缺点是存在废液的排放问题。化学法是利用还原剂去除硝酸盐氮，但是该技术很难将硝酸盐氮完全转化为无害的氮气，且会产生金属离子、金属氧化物等导致的二次污染。生物法是利用微生物的反硝化作用，但是脱氮过程较慢，处理不完全时会释放NO2 -、NOx和N2O，同时产生大量的生物污泥需要后续处理。
电化学还原法可以在不外加任何还原剂的条件下，利用电子作为洁净的氧化 还原反应参与物，直接或间接地进行化学物质间的转化，最终将硝酸盐离子还原为氮气，从而降解转化污染物。该方法不仅反应速度快、设备易于管理维护，而且无剩余污泥和废液副产物产生，具有潜在的经济性和对小型或分散给水处理的适应性。但目前该方法存在催化剂的活性和选择性难以控制的问题，有可能由于催化作用不完全而形成NO2 -，或由于还原作用过强而形成NH3、NH4 +等副产物，限制了其实用性。
为了克服现有的技术缺陷，本实用新型提出了一种新颖的处理水中硝酸盐的电解装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种处理水中硝酸盐的电解装置，通过其中两个电源的交替通断电，使阴极极板交替出现在NO3 -高浓度富集区，从而使电极反应效率更高。
为了解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型提供了一种处理水中硝酸盐的电解装置，其包括
电解槽，其包括位于所述电解槽中部的阴极室11以及分别位于所述电解槽两侧的第一阳极室10和第二阳极室12；其中所述第一阳极室10通过第一离子交换膜5与所述阴极室11隔开，所述第二阳极室12通过第二离子交换膜6与所述阴极室11隔开；
4个电极极板，包括位于所述第一阳极室10中的第一阳极极板1、位于所述第二阳极室12中的第二阳极极板4、位于所述阴极室11中且靠近所述第二离子交换膜6的第一多孔阴极极板3和位于所述阴极室11中且靠近所述第一离子交换膜5的第二多孔阴极极板2；
2个电源，均位于所述电解槽外，分别为第一电源8和第二电源9；其中所述第一电源8的正极与所述第一阳极极板1相连，负极与所述第一多孔阴极极板3相连；所述第二电源9的正极与所述第二阳极极板4相连，负极与所述第二多孔阴极极板2相连。
其中，优选地，所述第一多孔阴极极板3和所述第二多孔阴极极板2均为钛极板，该钛极板在使用前首先用NaOH除油，然后用草酸除氧化膜。所述第一阳极极板1和所述第二阳极极板4均为复合阳极，其为在钛极板上先沉积SnO2和 Sb再沉积PbO2后所得到的阳极。各阴极极板和各阳极极板均分别通过电线与电源连接。其中所述第一电源8和第二电源9均为直流稳压电源，有效电压为0-35V，有效电流为0-3A。所述第一电源8和所述第二电源9可以独立地开闭。
在优选的实施方案中，所述处理水中硝酸盐的电解装置还包括位于所述电解槽底部的进水口和位于所述电解槽顶部的出水口。
在优选的实施方案中，所述处理水中硝酸盐的电解装置还包括位于所述电解槽顶部的出气口。
在优选的实施方案中，所述电解槽的形状为长方体、正方体或圆柱体。
本实用新型的处理水中硝酸盐的电解装置工作原理如下：
通过位于所述电解槽底部的进水口向所述阴极室11中持续注入待处理的含有硝酸盐的废水，然后交替接通所述第一电源8和所述第二电源9。以先接通所述第一电源8为例，接通所述第一电源8后，所述阴极室11中的NO3 -部分会在所述第一多孔阴极极板3上被还原，而大部分会在电场的作用下向所述第一阳极极板1运动而被所述第一离子交换膜5阻挡从而富集在所述第一离子交换膜5位于所述阴极室11中的一侧；与此同时，所述第一阳极室10中的电解液为氯盐溶液，其中的Cl-被氧化为Cl2，Cl2遇水即快速生成HClO，同时，在电解过程中，所述第一阳极极板1表面可产生羟基自由基。通电一段时间后，断开所述第一电源8，接通所述第二电源9，此时富集在所述第一离子交换膜5周围的NO3 -快速地在所述第二多孔阴极极板2上得到电子被还原成氮气、亚硝酸盐或者氨，未被还原的NO3 -又在电场的作用下向所述第二阳极极板4运动而被所述第二离子交换膜6阻挡而富集在所述第二离子交换膜6位于所述阴极室11中的一侧；此时再断开所述第二电源9，接通所述第一电源8，周而复始。同时，在电解过程中，还可以通过导管将处于第一或第二阳极室中的电解液导入所述阴极室11中，利用所述电解液中的HClO以及羟基自由基的强氧化性将所述阴极室11中的副产物氨氮和亚硝酸盐迅速氧化为无害的N2。生成的气体可以通过位于所述电解槽顶部的出气口排出。
本实用新型的电解装置工作过程中完全去除硝酸盐时的反应式如下：
阴极反应：
NO3 -+2e-+H2O→NO2 -+2OH- (1)
NO3 -+5e-+3H2O→1/2N2+6OH- (2)
NO2 -+6e-+5H2O→NH3+7OH- (3)
2NO2 -+6e-+4H2O→N2+8OH- (4)
阳极反应：
2Cl-→Cl2+2e- (5)
阳极室中反应：Cl2+2OH-→ClO-+Cl-+H2O (6)
阴极室中反应：2NH3+3ClO-→3Cl-+N2+3H2O (7)
本实用新型取得的有益效果：
1、本实用新型的电解装置结构简单、设计巧妙且操作方便，同时经过本实用新型处理后的含硝酸盐的废水出水水质好，不再需要沉淀装置，可节省二次处理成本，所有的处理均在该装置中进行无需其他辅助装置即可以有效去除水中的硝酸盐。
2、本实用新型的电解装置在电解去除硝酸盐的同时，还可以利用阳极产生的羟基自由基和HClO这些具有强氧化性的物质将阴极产生的副产物氨氮迅速氧化为N2，达到了无害化去除硝酸盐的目的。
3、本实用新型的电解装置利用两个电源交替通断电的形式，避免了现有技术中已有的处理硝酸盐的电解装置在通电后只有部分NO3 -可在阴极被还原，而大部分NO3 -在电场的作用下移至阳极无法继续还原的弊端；并且由于两个电源的交替通断电，使阴极极板交替出现在NO3 -高浓度富集区，电极反应效率更高。
附图说明
图1为本实用新型的处理水中硝酸盐的电解装置结构示意图；
图2为本实用新型的处理水中硝酸盐的电解装置中多孔阴极极板表面示意图；
图3为现有技术中已有的处理水中硝酸盐的电解装置结构示意图。
其中，各附图标记具有以下含义：
1、第一阳极极板；2、第二多孔阴极极板；3、第一多孔阴极极板；4-第二阳极极板；5-第一离子交换膜；6-第二离子交换膜；7-孔；8-第一电源；9-第二电源；10-第一阳极室；11、阴极室；12、第二阳极室。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的处理水中硝酸盐的电解装置进行进一步说明， 但应理解，附图和说明仅为示例性的，而非限制性的。
实施例1
如图1所示，本实用新型提供了一种处理水中硝酸盐的电解装置，其包括
电解槽，其为容积为300ml的长方体密闭水槽，由有机玻璃制成；
3个电解室，包括位于所述电解槽中部的阴极室11以及分别位于所述电解槽两侧的第一阳极室10和第二阳极室12；其中所述第一阳极室10通过第一离子交换膜5与所述阴极室11隔开，所述第二阳极室12通过第二离子交换膜6与所述阴极室11隔开；
4个电极极板，包括位于所述第一阳极室10中的第一阳极极板1、位于所述第二阳极室12中的第二阳极极板4、位于所述阴极室11中且靠近所述第二离子交换膜6的第一多孔阴极极板3和位于所述阴极室11中且靠近所述第一离子交换膜5的第二多孔阴极极板2；
2个电源，均位于所述电解槽外，分别为第一电源8和第二电源9；其中所述第一电源8的正极与所述第一阳极极板1相连，负极与所述第一多孔阴极极板3相连；所述第二电源9的正极与所述第二阳极极板4相连，负极与所述第二多孔阴极极板2相连。
该电解装置工作原理如下：
通过位于所述电解槽底部的进水口向所述阴极室11中持续注入待处理的含有硝酸盐的废水，然后交替接通所述第一电源8和所述第二电源9。以先接通所述第一电源8为例，接通所述第一电源8后，所述阴极室11中的NO3 -部分会在所述第一多孔阴极极板3上被还原，而大部分会在电场的作用下向所述第一阳极极板1运动而被所述第一离子交换膜5阻挡从而富集在所述第一离子交换膜5位于所述阴极室11中的一侧；与此同时，所述第一阳极室10中的电解液为氯盐溶液，其中的Cl-被氧化为Cl2，Cl2遇水即快速生成HClO，同时，在电解过程中，所述第一阳极极板1表面可产生羟基自由基。通电一段时间后，断开所述第一电源8，接通所述第二电源9，此时富集在所述第一离子交换膜5周围的NO3 -快速地在所述第二多孔阴极极板2上得到电子被还原成氮气、亚硝酸盐或者氨，未被还原的NO3 -又在电场的作用下向所述第二阳极极板4运动而被所述第二离子交换膜6阻挡而富集在所述第二离子交换膜6位于所述阴极室11中的一侧；此时再 断开所述第二电源9，接通所述第一电源8，周而复始。同时，在电解过程中，还可以通过导管将处于第一或第二阳极室中的电解液导入所述阴极室11中，利用所述电解液中的HClO以及羟基自由基的强氧化性将所述阴极室11中的副产物氨氮和亚硝酸盐迅速氧化为无害的N2。生成的气体可以通过位于所述电解槽顶部的出气口排出。
试验中将人工合成的含硝酸盐的废水(其中NO3 -的浓度为130mg/L)250ml加入电解槽的阴极室中，两个阳极室中均添加0.01M的NaCl作为电解液。交替开启两个电源，调节电流，使电流为0.5A。
反应1个小时后，硝酸盐氮浓度从130mg/L降到15mg/L,转化率约为89％。
对比实施例
如图3所示的电解装置，其包括电解槽和分别位于电解槽两侧的阴极室和阳极室，两者之间通过离子交换膜隔开；在阳极室中具有阳极极板，在阴极室中具有阴极极板；该电解装置还包括位于所述电解槽外的电源，其中电源的正极与阳极极板相连，电源的负极与阴极极板相连。
采用如图3所示的电解装置处理含有硝酸盐的废水。将人工合成的含硝酸盐的废水(其中NO3 -的浓度为130mg/L)250ml加入电解槽的阴极室中，阳极室中添加0.01M的NaCl作为电解液。开启电源进行电解，调节电流，使电流为0.5A。
反应1个小时后，硝酸盐氮浓度从130mg/L降到70mg/L，转化率仅为46％左右。
并且在试验中发现，采用如图3所示的电解装置，即使在阴极室中加入搅拌装置强迫硝酸根离子向阴极移动，也仅提高其中硝酸盐氮的转化率至52％左右。
通过实施例1和对比实施例可知，本实用新型的电解装置对于含硝酸盐的废水处理具有良好的效果。
上述对实施例的描述是为清楚地说明本实用新型所做的举例，并非对本实用新型实施方案的限定。任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可以轻易对本实施例做出各种修改(如电解槽可为圆柱形或四方柱形)，并把在此说明的原理应用到其它实例施而不必经过创造性劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，不脱离本实用新型范畴所做出改进和修改都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种处理水中硝酸盐的电解装置，其特征在于，其包括：
电解槽，其内具有位于所述电解槽中部的阴极室(11)以及分别位于所述电解槽两侧的第一阳极室(10)和第二阳极室(12)；其中所述第一阳极室(10)通过第一离子交换膜(5)与所述阴极室(11)隔开，所述第二阳极室(12)通过第二离子交换膜(6)与所述阴极室(11)隔开；
4个电极极板，包括位于所述第一阳极室(10)中的第一阳极极板(1)、位于所述第二阳极室(12)中的第二阳极极板(4)、位于所述阴极室(11)中且靠近所述第二离子交换膜(6)的第一多孔阴极极板(3)和位于所述阴极室(11)中且靠近所述第一离子交换膜(5)的第二多孔阴极极板(2)；
2个电源，均位于所述电解槽外，分别为第一电源(8)和第二电源(9)；其中所述第一电源(8)的正极与所述第一阳极极板(1)相连，负极与所述第一多孔阴极极板(3)相连；所述第二电源(9)的正极与所述第二阳极极板(4)相连，负极与所述第二多孔阴极极板(2)相连。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，其还包括位于所述电解槽底部的进水口和位于所述电解槽顶部的出水口。
3.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，其还包括位于所述电解槽顶部的出气口。
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| CN201520222027.5U CN204529405U (zh) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | 一种处理水中硝酸盐的电解装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| TWI646057B (zh) * | 2017-04-11 | 2019-01-01 | 中國鋼鐵股份有限公司 | 硝酸鹽氮水溶液之處理方法 |
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2015
- 2015-04-13 CN CN201520222027.5U patent/CN204529405U/zh active Active
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| TWI646057B (zh) * | 2017-04-11 | 2019-01-01 | 中國鋼鐵股份有限公司 | 硝酸鹽氮水溶液之處理方法 |
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