一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法
【專利摘要】一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法，它涉及一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有去除水中硝酸鹽氮的方法中電化學(xué)反硝化電流效率偏低、反應(yīng)產(chǎn)物選擇性差及催化加氫需要外加H2的問題。裝置包括直流電源、pH計(jì)、微量蠕動(dòng)泵、微濾膜組件、進(jìn)水泵、第一循環(huán)泵、出水泵、陰極室、陰極板、陽極板、陽極室、第二循環(huán)泵和質(zhì)子交換膜；方法：污染水體加入到陰極室，向陰極室中加入催化劑，接通直流電源，吸附在陰極板上的硝酸根離子接受電子逐步還原為N2；產(chǎn)生的H2從陰極板聚集成微氣泡擴(kuò)散，并吸附到催化劑上，在催化劑作用下，以H2為電子供體，將剩余NO3-還原成N2到空氣中。本發(fā)明用于去除水中硝酸鹽氮。
【專利說明】一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，含氮化肥的過量使用及工業(yè)廢水的排放，硝酸鹽已經(jīng)成為地表水和地下水中常見的陰離子無機(jī)污染物之一。目前，我國很多城市及農(nóng)村水源水中硝酸鹽氮含量大面積超標(biāo)，而傳統(tǒng)的凈水工藝無法有效的去除水中的硝酸鹽。飲用水中的硝酸鹽進(jìn)入人體后在消化系統(tǒng)的作用下會(huì)生成亞硝酸鹽進(jìn)而進(jìn)入血液，形成高鐵血紅蛋白，抑制氧傳遞，引起“藍(lán)嬰綜合癥”。此外，硝酸鹽氮還能引發(fā)非霍奇金淋巴瘤、胃癌等疾病。鑒于此，世界各國和衛(wèi)生組織都對(duì)飲用水中的硝酸鹽氮含量做了明確的規(guī)定。歐盟和世界衛(wèi)生組織飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硝酸鹽氮含量為11.3mg/L，美國環(huán)境保護(hù)署規(guī)定此值為10mg/L ;我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》中規(guī)定硝酸鹽氮不得超過10mg/L。
[0003]目前，硝酸鹽氮的去除技術(shù)主要包括物理化學(xué)處理、生物反硝化、化學(xué)還原、電化學(xué)還原及催化還原等。生物反硝化及物理化學(xué)等處理方式因其技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)原因限制了其在凈水處理中的應(yīng)用。化學(xué)催化加氫反硝化被公認(rèn)為是一種最有前景的脫氮工藝，但其需要提供H2或甲酸等作為還原劑，其中采用H2作為還原劑時(shí)需要運(yùn)輸和儲(chǔ)存大量的外源氫氣，且催化加氫反應(yīng)過程中H2的利用率較低，而甲酸本身作為一種有機(jī)污染物質(zhì)，應(yīng)用到凈水處理中本身具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。電化學(xué)還原去除硝酸鹽氮具有裝置簡單，運(yùn)行維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，但該工藝存在反應(yīng)產(chǎn)物選擇性低、電流效率低等缺點(diǎn)，限制了該工藝在硝酸鹽氮處理工程中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有去除水中硝酸鹽氮的方法中電化學(xué)反硝化電流效率偏低、反應(yīng)產(chǎn)物選擇性差及催化加氫需要外加H2的問題，而提供一種去除水中硝酸鹽氮的裝置及其使用方法。
[0005]本發(fā)明一種去除水中硝酸鹽氮的裝置包括直流電源、pH值控制器、微量蠕動(dòng)泵、微濾膜組件、進(jìn)水泵、第一循環(huán)泵、出水泵、陰極室、陰極板、陽極板、陽極室、第二循環(huán)泵、質(zhì)子交換膜和回流管；所述直流電源的正極連接有陽極板，所述陽極板設(shè)置在陽極室內(nèi)，所述陽極室的中部設(shè)置有進(jìn)水口并且與第二循環(huán)泵的出水口相連，所述陽極室的底部設(shè)置有出水口并且與第二循環(huán)泵的進(jìn)水口相連；所述直流電源的負(fù)極連接有陰極板，所述陰極板設(shè)置在陰極室內(nèi)，所述陰極室的上方設(shè)置有PH檢測(cè)探頭和酸液入管出口，所述pH檢測(cè)探頭與pH值控制器的信號(hào)輸入端相連，所述pH值控制器的信號(hào)輸出端與微量蠕動(dòng)泵的電源受控端相連，所述微量蠕動(dòng)泵的出水口與酸液入管相連；所述陰極室的中部設(shè)置有污水進(jìn)口，所述污水進(jìn)口通過進(jìn)水管與進(jìn)水泵的出水端相連；所述微濾膜組件的凈水進(jìn)水口與所述第一循環(huán)泵的出水口相連，所述第一循環(huán)泵的進(jìn)水口與所述陰極室底部的凈水出口相連；所述微濾膜組件的凈水出水口與所述出水泵的進(jìn)口相連；所述微濾膜組件的回流管連接在進(jìn)水管上；所述陰極室和陽極室之間設(shè)置有質(zhì)子交換膜。
[0006]一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法是按以下步驟進(jìn)行:
[0007]—、開啟進(jìn)水泵，向陰極室中通入污染水體，使陰極板在液面下后停進(jìn)水泵，然后向陰極室中加入Pd-CuAI2O3催化劑，對(duì)陰極室進(jìn)行密封，在所述陽極室內(nèi)加入濃度為40mg/L?60mg/L的無機(jī)鹽溶液，使陽極板在液面下；所述污染水體中硝酸鹽氮的濃度為40mg/L?60mg/L,所述Pd-Cu/Al203催化劑的質(zhì)量與污染水體的體積比為lg:1L ;所述無機(jī)鹽溶液具有氧化性；
[0008]二、開啟第二循環(huán)泵進(jìn)行水力攪拌，同時(shí)開啟第一循環(huán)泵，然后通過微量蠕動(dòng)泵向陰極室加入濃度為0.lmol/L的鹽酸溶液來控制陰極室內(nèi)的pH為5?6 ;
[0009]三、開啟直流電源，電流密度為8mA/cm2?12mA/cm2,反應(yīng)50min?70min后，開啟進(jìn)水泵和出水泵，從陰極室底部的凈水出口流出的水體一部分經(jīng)過微濾膜組件過濾，得到凈水，凈水通過出水泵排出，另一部分含有催化劑的水體從微濾膜組件另一端的回流管回流到陰極室內(nèi)，即完成對(duì)水中硝酸鹽氮的去除。
[0010]本發(fā)明原理:
[0011]本發(fā)明通過催化加氫和電化學(xué)加氫耦合工藝還原去除水中的硝酸鹽氮。含有硝酸鹽氮的污染水體加入到電解槽的陰極室中，向該陰極室中加入Pd-CuAl2O3催化劑，接通直流電源，部分吸附在陰極板上的硝酸根離子(N03_)直接接受電子并被逐步還原為N2 ;同時(shí)，由于電解產(chǎn)生的4不斷從陰極板附近聚集形成微氣泡擴(kuò)散到反應(yīng)液主體，并吸附到Pd-Cu/Al2O3催化劑表面，在催化劑的作用下，以H2作為電子供體，將剩余NO3—還原成為N2并釋放到空氣中。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
[0013]1、本發(fā)明中電解水產(chǎn)生的氫氣在催化劑存在的情況下可以作為催化加氫的還原齊U，能夠大大提高電化學(xué)反硝化的電流效率；
[0014]2、本發(fā)明中催化加氫反應(yīng)能夠利用電解水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣作為還原劑，免去外加H2環(huán)節(jié)，同時(shí)，電解水產(chǎn)生的H2氣泡尺寸微小，更容易吸附到催化劑表面，能夠很大程度上提高H2的利用效率；
[0015]3、本發(fā)明中電解槽陽極室產(chǎn)生的H+能夠通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入到陰極室，有效起到緩沖作用，維持反應(yīng)體系弱酸性的條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0018]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式一種去除水中硝酸鹽氮的裝置包括直流電源1、PH值控制器2、微量蠕動(dòng)泵3、微濾膜組件4、進(jìn)水泵5、第一循環(huán)泵6、出水泵7、陰極室8、陰極板9、陽極板10、陽極室11、第二循環(huán)泵12、質(zhì)子交換膜13和回流管14 ;所述直流電源I的正極連接有陽極板10，所述陽極板10設(shè)置在陽極室11內(nèi)，所述陽極室11的中部設(shè)置有進(jìn)水口并且與第二循環(huán)泵12的出水口相連，所述陽極室11的底部設(shè)置有出水口并且與第二循環(huán)泵12的進(jìn)水口相連；所述直流電源I的負(fù)極連接有陰極板9，所述陰極板9設(shè)置在陰極室8內(nèi)，所述陰極室8的上方設(shè)置有pH檢測(cè)探頭和酸液入管出口，所述PH檢測(cè)探頭與pH值控制器2的信號(hào)輸入端相連，所述pH值控制器2的信號(hào)輸出端與微量蠕動(dòng)泵3的電源受控端相連，所述微量蠕動(dòng)泵3的出水口與酸液入管相連；所述陰極室8的中部設(shè)置有污水進(jìn)口，所述污水進(jìn)口通過進(jìn)水管與進(jìn)水泵5的出水端相連；所述微濾膜組件4的凈水進(jìn)水口與所述第一循環(huán)泵6的出水口相連，所述第一循環(huán)泵6的進(jìn)水口與所述陰極室8底部的凈水出口相連；所述微濾膜組件4的凈水出水口與所述出水泵7的進(jìn)口相連；所述微濾膜組件4的回流管14連接在進(jìn)水管上；所述陰極室8和陽極室11之間設(shè)置有質(zhì)子交換膜13。
[0019]本實(shí)施方式中電解水產(chǎn)生的氫氣在催化劑存在的情況下可以作為催化加氫的還原劑，能夠大大提高電化學(xué)反硝化的電流效率；
[0020]本實(shí)施方式中催化加氫反應(yīng)能夠利用電解水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣作為還原劑，免去外加H2環(huán)節(jié)，同時(shí)，電解水產(chǎn)生的H2氣泡尺寸微小，更容易吸附到催化劑表面，能夠很大程度上提高H2的利用效率；
[0021]本實(shí)施方式中電解槽陽極室產(chǎn)生的H+能夠通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入到陰極室，有效起到緩沖作用，維持反應(yīng)體系弱酸性的條件。
[0022]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述陰極室8中填充有Pd-CuAI2O3催化劑。其他與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0023]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述陰極板9和陽極板10的材質(zhì)為石墨。其他與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述陽極室11中填充有濃度為40mg/L?60mg/L的無機(jī)鹽溶液。其他與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:所述陽極室11中填充有濃度為40mg/L?60mg/L的KNO3溶液、NaNO3溶液或K2SO4溶液。其他與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:所述陰極室8和陽極室11的上部分別設(shè)置有單向排氣口。如此設(shè)置，可以快速排出反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體如n2、h2等，符合實(shí)際需要。其他與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】七:一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法是按以下步驟進(jìn)行:
[0028]—、開啟進(jìn)水泵5，向陰極室8中通入污染水體,使陰極板9在液面下后停進(jìn)水泵5，然后向陰極室8中加入Pd-Cu/Al203催化劑，對(duì)陰極室8進(jìn)行密封，在所述陽極室11內(nèi)加入濃度為40mg/L?60mg/L的無機(jī)鹽溶液,使陽極板10在液面下；所述污染水體中硝酸鹽氮的濃度為40mg/L?60mg/L,所述Pd_Cu/Al203催化劑的質(zhì)量與污染水體的體積比為lg:1L ;所述無機(jī)鹽溶液具有氧化性；
[0029]二、開啟第二循環(huán)泵12進(jìn)行水力攪拌，同時(shí)開啟第一循環(huán)泵6，然后通過微量蠕動(dòng)泵3向陰極室8加入濃度為0.lmol/L的鹽酸溶液來控制陰極室8內(nèi)的pH為5?6 ;
[0030]三、開啟直流電源1，電流密度為8mA/cm2?12mA/cm2,反應(yīng)50min?70min后，開啟進(jìn)水泵5和出水泵7，從陰極室8底部的凈水出口流出的水體一部分經(jīng)過微濾膜組件4過濾，得到凈水，凈水通過出水泵7排出，另一部分含有催化劑的水體從微濾膜組件4另一端的回流管14回流到陰極室8內(nèi)，即完成對(duì)水中硝酸鹽氮的去除。
[0031]本實(shí)施方式中水體經(jīng)過微濾膜組件，微濾膜截留下來的催化劑可重新進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行催化加氫反應(yīng)。
[0032]本實(shí)施方式中去除水中硝酸鹽氮的裝置在運(yùn)行Ih后，微濾膜組件自動(dòng)進(jìn)行反洗0.5min。
[0033]本實(shí)施方式在反應(yīng)過程中應(yīng)定期向陽極室中加入適量清水，保證陽極板處于液面以下。
[0034]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同的是:所述陰極板9和陽極板10的材質(zhì)為石墨。其他與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七或八不同的是:所述無機(jī)鹽溶液為KNO3溶液、NaNO3溶液或K2SO4溶液。其他與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0036]采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明有益效果:
[0037]實(shí)施例:結(jié)合圖1說明本實(shí)施例，本實(shí)施例一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法是按以下步驟進(jìn)行:
[0038]—、開啟進(jìn)水泵5，向陰極室8中通入污染水體,使陰極板9在液面下后停進(jìn)水泵5，然后向陰極室8中加入Pd-Cu/Al203催化劑，對(duì)陰極室8進(jìn)行密封，在所述陽極室11內(nèi)加入濃度為50mg/L的無機(jī)鹽溶液，使陽極板10在液面下；所述污染水體中硝酸鹽氮的濃度為50mg/L，所述Pd-CuAl2O3催化劑的質(zhì)量與污染水體的體積比為lg:1L ;所述無機(jī)鹽溶液具有氧化性；
[0039]二、開啟第二循環(huán)泵12進(jìn)行水力攪拌，同時(shí)開啟第一循環(huán)泵6，然后通過微量蠕動(dòng)泵3向陰極室8加入濃度為0.lmol/L的鹽酸溶液來控制陰極室8內(nèi)的pH為5?6 ;
[0040]三、開啟直流電源1，電流密度為lOmA/cm2，反應(yīng)60min后，開啟進(jìn)水泵5和出水泵7，水體經(jīng)過微濾膜組件4過濾，即完成對(duì)水中硝酸鹽氮的去除。
[0041]本發(fā)明中電解水產(chǎn)生的氫氣在催化劑存在的情況下可以作為催化加氫的還原劑，能夠大大提高電化學(xué)反硝化的電流效率；催化加氫反應(yīng)能夠利用電解水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣作為還原劑，免去外加H2環(huán)節(jié)，同時(shí)，電解水產(chǎn)生的H2氣泡尺寸微小，更容易吸附到催化劑表面，能夠很大程度上提高H2的利用效率；電解槽陽極室產(chǎn)生的H+能夠通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入到陰極室，有效起到緩沖作用，維持反應(yīng)體系弱酸性的條件。
【權(quán)利要求】
1.一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于去除水中硝酸鹽氮的裝置包括直流電源(I)、PH值控制器(2)、微量蠕動(dòng)泵(3)、微濾膜組件(4)、進(jìn)水泵(5)、第一循環(huán)泵(6)、出水泵(7)、陰極室(8)、陰極板(9)、陽極板(10)、陽極室(11)、第二循環(huán)泵(12)、質(zhì)子交換膜13和回流管(14);所述直流電源(I)的正極連接有陽極板(10)，所述陽極板(10)設(shè)置在陽極室(11)內(nèi)，所述陽極室(11)的中部設(shè)置有進(jìn)水口并且與第二循環(huán)泵(12)的出水口相連，所述陽極室(11)的底部設(shè)置有出水口并且與第二循環(huán)泵(12)的進(jìn)水口相連；所述直流電源(I)的負(fù)極連接有陰極板(9)，所述陰極板(9)設(shè)置在陰極室(8)內(nèi)，所述陰極室(8)的上方設(shè)置有PH檢測(cè)探頭和酸液入管出口，所述pH檢測(cè)探頭與pH值控制器(2)的信號(hào)輸入端相連，所述PH值控制器(2)的信號(hào)輸出端與微量蠕動(dòng)泵(3)的電源受控端相連，所述微量蠕動(dòng)泵(3)的出水口與酸液入管相連；所述陰極室(8)的中部設(shè)置有污水進(jìn)口，所述污水進(jìn)口通過進(jìn)水管與進(jìn)水泵(5)的出水端相連；所述微濾膜組件(4)的凈水進(jìn)水口與所述第一循環(huán)泵(6)的出水口相連，所述第一循環(huán)泵(6)的進(jìn)水口與所述陰極室⑶底部的凈水出口相連；所述微濾膜組件(4)的凈水出水口與所述出水泵(7)的進(jìn)口相連；所述微濾膜組件(4)的回流管(14)連接在進(jìn)水管上；所述陰極室(8)和陽極室(11)之間設(shè)置有質(zhì)子交換膜(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于所述陰極室(8)中填充有Pd-CuAl2O3催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于所述陰極板(9)和陽極板(10)的材質(zhì)為石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于所述陽極室(11)中填充有濃度為40mg/L?60mg/L的無機(jī)鹽溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于所述陽極室(11)中填充有濃度為40mg/L?60mg/L的KNO3溶液、NaNO3溶液或K2SO4溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置，其特征在于所述陰極室(8)和陽極室(11)的上部分別設(shè)置有單向排氣口。
7.如權(quán)利要求1所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法，其特征在于去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法是按以下步驟進(jìn)行:一、開啟進(jìn)水泵(5)，向陰極室(8)中通入污染水體，使陰極板(9)在液面下后停進(jìn)水泵(5)，然后向陰極室(8)中加入Pd-CuAl2O3催化劑，對(duì)陰極室(8)進(jìn)行密封，在所述陽極室(II)內(nèi)加入濃度為40mg/L?60mg/L的無機(jī)鹽溶液,使陽極板(10)在液面下；所述污染水體中硝酸鹽氮的濃度為40mg/L?60mg/L，所述Pd_Cu/A1203催化劑的質(zhì)量與污染水體的體積比為lg:1L ;所述無機(jī)鹽溶液具有氧化性；二、開啟第二循環(huán)泵(12)進(jìn)行水力攪拌，同時(shí)開啟第一循環(huán)泵￠)，然后通過微量蠕動(dòng)泵⑶向陰極室⑶加入濃度為0.lmol/L的鹽酸溶液來控制陰極室(8)內(nèi)的pH為5?6 ; 三、開啟直流電源⑴，電流密度為8mA/cm2?12mA/cm2,反應(yīng)50min?70min后，開啟進(jìn)水泵(5)和出水泵(7)，從陰極室(8)底部的凈水出口流出的水體一部分經(jīng)過微濾膜組件(4)過濾，得到凈水，凈水通過出水泵(7)排出，另一部分含有催化劑的水體從微濾膜組件(4)另一端的回流管(14)回流到陰極室(8)內(nèi)，即完成對(duì)水中硝酸鹽氮的去除。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法，其特征在于所述陰極板(9)和陽極板(10)的材質(zhì)為石墨。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種去除水中硝酸鹽氮的裝置的使用方法，其特征在于所述無機(jī)鹽溶液為KNO3溶液、NaNO3溶液或K2SO4溶液。
【文檔編號(hào)】C02F1/461GK104355369SQ201410668293
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】時(shí)文歆, 張志強(qiáng), 張瑞君 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)