TWM528992U - 硝酸根氮脫除設備 - Google Patents

Description

硝酸根氮脫除設備

本創作係關於一種硝酸根氮脫除設備，特別係關於一種以電化學法去除水中硝酸根氮的設備。

硝酸鹽本身毒性不高，但在自然界會被微生物還原成亞硝酸鹽，過量的亞硝酸鹽已被證實有致癌風險，因此若廢水中的硝酸鹽沒有處理就直接排放到河川，一方面會影響水中生態，另一方面會進入飲用水系統而影響人體健康。

一般去除水中硝酸鹽的方式主要有離子交換法、逆滲透法、生物脫硝法、金屬化學還原法、以及電化學還原法等，然上述方式存有一些缺失，像離子交換法與逆滲透法係將硝酸鹽過濾，並沒有降解，因此得經常清洗設備，還會產生硝酸鹽廢水；生物脫硝法容易產生污泥；金屬化學還原法主要是以鐵等金屬來還原硝酸鹽成為氨，成本雖低但生成氨及鐵氧化物污泥需要另外處理；電化學還原法則是利用金屬陰極將硝酸根還原，因陰極的不同組成可還原成氮或是氨，或是兩者都有，再將氨降解為無害的氮氣，然早期的陰極以鈀或鉑等貴金屬為主，成本較高，不易推廣。

有鑑於上述之缺失，本創作之目的在於提供一種硝酸根氮脫除設備，用於以電化學法去除水中的硝酸根氮。

為達上述目的，本創作提供一種硝酸根氮脫除設備，用於以電化學法去除水中的硝酸根氮，該硝酸根氮脫除設備包括至少一個電解槽，用以盛裝含硝酸根氮離子及氯離子的水溶液，該硝酸根氮脫除設備還包括至少一電極模組、一供電模組、一水循環模組、一酸鹼值控制模組、一溫控模組及一通風模組，各該電極模組設於電解槽且包括至少一鈦基金屬氧化物製成之陽極電極及至少一銅鎳合金製成之陰極電極，陽極電極及陰極電極間隔排列；該供電模組是電性連接於該電極模組並用以供給該電極模組工作所需的電源，該水循環模組設於電解槽且用以讓水溶液在該電解槽內循環流動，該酸鹼值控制模組設於電解槽且用以偵測並控制該水溶液的酸鹼值，該溫控模組設於電解槽且用以偵測並控制該水溶液的溫度，該通風模組設於電解槽且用以將工作過程可能產生的氣體化合物排出該電解槽。

銅鎳合金被證實在酸性水溶液中可作為陰極將硝酸根還原成氨或羥基胺，且因為銅與鎳的協同作用，銅鎳合金電極對硝酸根的還原過電位少於純銅電極或純鎳電極對硝酸根的還原過電位，使得銅鎳合金電極對硝酸根的還原速率高於純銅電極或純鎳電極。研究者認為陰極上的銅原子的外層電子組態4S軌域只有一個電子容易吸引或等氮氧化合物中的氧而將其吸附並減弱氮氧間的鍵能；鎳原子的外層電子組態4S軌域有兩個電子容易吸引缺電子的H ⁺離子而將其吸附並提供一個電子形成有還原性帶電氫原子；帶電氫原子可能與另一個帶電氫原子形成氫分子而脫附(析氫反應)，也可能攻擊上述已經減弱的氮氧鍵而讓它斷裂。硝酸根在銅鎳合金陰極表面還原的最初幾個步驟可以以下三個化學式表示：

2H ⁺+2e ^- → 2H _ads 式(2)

式(1)表示水溶液中的硝酸根吸附在銅位置的表面，式(2)表示氫根離子被還原後吸附在鎳位置表面，式(3)表示由於緊鄰的因素讓吸附的硝酸根被還原成亞硝酸根且吸附在銅位置表面。根據同樣的反應機制，氮被逐步還原直到生成氨。在酸性水溶液中硝酸根在陰極表面還原為氨的整體反應可以下式表示：

硝酸根還原成氨的過程中會有NH ₂ OH中間產物，NH ₂ OH可直接被次氯酸還原成氮分子。

鈦基金屬氧化物陽極將水中的氯離子氧化成氯分子；氯分子溶於水中產生次氯酸與鹽酸；次氯酸降解氨可以下式表示：

陰極將硝酸根還原為氨或羥基胺；陽極將氯離子氧化為氯分子，氯分子溶於水中生成的次氯酸則將氨或羥基胺氧化為無害的氮分子，次氯酸根則還原回氯離子，氯離子在氨降解為氮的過程中起到循環催化的作用。陰極將一個硝酸根還原為氨須要八個電子；陽極經由氯離子循環催化將一個氨氧化成氮放出三個電子；另外，陽極以析氧來達到電解系統中陰極與陽極電子數的平衡。在含少量氯離子的酸性水溶液中，以銅鎳合金為陰極將硝酸根還原為氨，以鈦基金屬氧化物為陽極，以氯離子循環催化再將氨氧化為氮的總反應式可寫為：

若硝酸根還原為羥基胺後直接被氯離子循環催化氧化為氮，則其總反應式為：

由式(6)與式(7)可見兩個路徑的總反應都會消耗酸，讓電解溶液的pH值上升；經由式(7)反應式路徑還原一個硝酸根為氮只須要六個電子。

銅與鎳可以任何比例混合都能達到單相合金；根據我們所做試驗及文獻紀載銅鎳比例從75：25到25：75的合金對硝酸根還原反應都顯示了協同作用；但是不同的銅鎳比例表現出不同的析氫過電位。不同銅鎳比例的合金在酸性水溶液中的耐蝕性也不一樣。氨在鹼性水溶液中以自由氨存在的比例較高而有逸散的顧慮，故水溶液pH值在硝酸鹽的降解過程中維持在8.0以下；在過於酸性的水溶液中氨容易被次氯酸氧化成有惡臭的三氯氨，氯分子也較容易以自由氯型態逸散，因此水溶液pH值維持在4.5以上。從上述反應式(6)、式(7)可看出總體反應會消耗酸，為維持適當的酸鹼值，反應系統須有加酸的設備。

1‧‧‧硝酸根氮脫除設備

10‧‧‧電解槽

20‧‧‧電極模組

22‧‧‧陽極電極

24‧‧‧陰極電極

30‧‧‧供電模組

40‧‧‧水循環模組

50‧‧‧酸鹼值控制模組

60‧‧‧溫控模組

70‧‧‧通風模組

第1圖係本創作第一實施例硝酸根氮脫除設備之示意圖；第2圖係本創作第一實施例之電極模組俯視圖。

請參考第1、2圖，係本創作第一實施例所提供的硝酸根氮脫除設備1，該硝酸根氮脫除設備1係用於以電化學法去除水中的硝酸根氮，該硝酸根氮脫除設備1具有至少一電解槽10用以盛裝含硝酸根氮離子及氯離子的水溶 液，水溶液的氯離子濃度介於0.03wt%至2.0wt%之間，該硝酸根氮脫除設備1還具有至少一電極模組20、一供電模組30、一水循環模組40、一酸鹼值控制模組50、一溫控模組60及一通風模組70。於其他可能的實施例中，該硝酸根氮脫除設備1具有多個電解槽10，在此狀況下，該些電解槽10之間以水體加以串聯或並聯。其中，水中可含少量食鹽或其他易水解的氯化物以提供氯離子。

各該電極模組20包括至少一鈦基金屬氧化物製成之陽極電極22及至少一銅鎳合金製成之陰極電極24，其中該陰極電極24之銅鎳合金的比例可以從75：25至25：75，並允許含有少量錳、鐵等原素，於本實施例中，該陽極電極22為圓柱形電極，該陰極電極24為環狀電極並與該陽極電極22形成同心圓，如第2圖所示，該陽極電極22及該陰極電極24係間隔排列，且該陽極電極22與陰極電極24之間的間距可為但不限於5mm至25mm。於其他可能的實施例中，陽極電極與陰極電極可為板狀電極並相向間隔排列，且該陽極電極與該陰極電極的數量可視情況改變，較佳者，若該陽極電極的數量為n，則該陰極電極的數量可為n或n+1，其中n為大於或等於1的正整數，亦或者，當該陽極電極的數量為n，該陰極電極的數量可為n、n+1或n-1，其中n為大於或等於2的正整數。

該供電模組30是用以供給該電極模組20工作所需的電源，使各該電極模組20的電壓維持於2.0V至4.0V之間，並令該陰極電極24的電流密度介於3.0mA/cm²至30.0mA/cm²，供電模組例如為一電源供應器。

該水循環模組40用以讓水溶液在該電解槽10內循環流動，藉以維持水溶液的均質性及促進電解質的傳遞，例如可以水泵實現。

該酸鹼值控制模組50用以偵測並控制該水溶液的酸鹼值，於可能的實施例中，該酸鹼值控制模組50是用以控制該電解槽10內水溶液的pH值介於4.5與8.5之間，且其可能為一酸鹼值偵測器與酸、鹼加藥機之組合。

該溫控模組60係用以偵測並控制該水溶液的溫度維持在20℃至40℃之間。

該通風模組70用以將工作過程可能產生的氣體化合物排出該電解槽10，例如將產生的氮氣及可能產生的氫氣與氯氣等引導到外部的洗滌塔。

範例一：

以兩片長6.0cm，寬3.5cm，厚0.15cm的鈦基釕系氧化金屬為陽極，以三片長6.0cm，寬3.5cm，厚0.1cm銅鎳比例約55：45並含少量鐵、錳的銅鎳合金為陰極，以NaNO ₃及去離子水配置濃度為42670ppm溶液3L，並加入15.0g的NaCl，以25wt%稀硫酸調整pH值在4.5至6.5之間，溫度維持在35℃，陽極電流密度約26mA/cm²，濃度隨電解時間而降低如下：

由表1可知，該硝酸根氮脫除設備1可將高濃度的硝酸根降解到可排放濃度以下，特別是前72小時的電解電流效率都有95%以上。

從上述反應式(1)、(2)及(3)可見硝酸根在陰極表面的吸附是還原硝酸根的重要步驟。在攪拌、溫度、濃度等條件不變的情況下，增加陰極的有效面積可以促進硝酸根在陰極表面吸附的機率。增加陰極的有效面積可以從增加極板面積與極板片數著手；或將成對的陽極與陰極做成圓柱形電極， 陽極在內圈，陰極在外圈形成同心圓，在不增加陽極的成本下加大陰極的有效面積。

上述僅為本創作實施例之說明，不能作為限定本創作實施之範圍，舉凡未超脫本創作精神所作的簡易結構潤飾或變化，仍應屬於本創作意欲保護之範疇，例如於其他實施例中可增加該陰極電極24的有效面積等。

1‧‧‧硝酸根氮脫除設備

10‧‧‧電解槽

20‧‧‧電極模組

30‧‧‧供電模組

40‧‧‧水循環模組

50‧‧‧酸鹼值控制模組

60‧‧‧溫控模組

70‧‧‧通風模組

Claims (10)

1. 一種硝酸根氮脫除設備，用於以電化學法去除水中的硝酸根氮，該硝酸根氮脫除設備包括：至少一個電解槽，用以盛裝含硝酸根氮離子及氯離子的水溶液；至少一電極模組，設於該電解槽，各該電極模組包括至少一鈦基金屬氧化物製成之陽極電極及至少一銅鎳合金製成之陰極電極，陽極電極及陰極電極間隔排列；一供電模組，該供電模組與該電極模組電性連接而用以供給該電極模組工作所需的電源；一水循環模組，設於該電解槽，該水循環模組用以讓水溶液在該電解槽內循環流動；一酸鹼值控制模組，設於該電解槽，該酸鹼值控制模組用以偵測並控制該水溶液的酸鹼值；一溫控模組，設於該電解槽，該溫控模組用以偵測並控制該水溶液的溫度；及一通風模組，設於該電解槽，該通風模組用以將工作過程可能產生的氣體化合物排出該電解槽。
2. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中該硝酸根氮脫除設備包括一或多個電解槽，該多個電解槽之間以水體加以串聯或並聯。
3. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中該陽極電極為鈦基金屬氧化物，該陰極電極為銅鎳比例介於75：25至25：75之間並允許含少量錳、鐵等元素的銅鎳合金。
4. 如請求項3所述的硝酸根氮脫除設備，其中該陽極電極與陰極電極為板狀電極；陽極電極與陰極電極相向且間隔排列。
5. 如請求項3所述的硝酸根氮脫除設備，其中該陽極電極為圓柱形電極，而該陰極電極為環狀電極並與該陽極電極形成同心圓。
6. 如請求項3所述的硝酸根氮脫除設備，其中該陽極電極與陰極電極之間的間距為5mm至25mm。
7. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中該供電模組是用以使各該電極模組的電壓維持於2.0V至4.0V之間，並令陰極電極的電流密度介於3.0mA/cm²至30.0mA/cm²。
8. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中該酸鹼值控制模組是用以控制電解槽內水溶液的pH值介於4.5與8.5之間。
9. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中該溫控模組是用以維持水溫在20℃至40℃之間。
10. 如請求項1所述的硝酸根氮脫除設備，其中電解槽內水溶液的氯離子濃度介於0.03wt%至2.0wt%之間。