专利名称：一种催化还原法去除硝酸盐装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水处理工艺设备技术领域，具体地说是涉及一种利用电解单元与 催化还原单元去除地下水中硝酸盐的装置。
背景技术：
近年来，随着工农业生产的发展，尤其是合成化工、石油化工、农药及杀虫剂等工 业的迅速发展，以及工业废水和城市污水的大量排放，越来越多的硝酸盐污染物进入地下 水体。作为城市水源的湖泊、河流和水库，其水源污染现象日益严重，水中硝酸盐导致的饮 用水安全问题已经成为威胁人类健康的主要因素之一。硝酸盐对哺乳动物有机体是有害 的，在体内硝酸盐被转化为铵，其过程的一个中间步骤是硝酸盐转化为亚硝酸盐。亚硝酸盐 可能引起婴儿先天性心脏缺陷综合症，也是致癌性胺类化合物的前体物。因此，去除水体中 硝酸盐的技术已成为本领域技术人员研究的重要课题。目前，去除水中硝酸盐的方法主要有物理法、生物脱氮法和化学还原法。物理法 去除地下水中的硝酸盐，所需费用较高，并且只是发生硝酸盐污染物的转移或浓缩，实际上 并没有对其进行彻底地去除。生物脱氮法虽然可以将硝酸盐彻底还原成氮气，但抗冲击负 荷能力低，存在二次污染，且工艺复杂，不适合小规模及分散给水处理等问题。化学还原法 包括金属单质还原法、氢催化还原法和电化学还原法，金属单质还原法是以铁、铝、锌等金 属单质为还原剂将硝酸盐还原为氮气，其反应条件难以控制，易产生副产物导致二次污染； 氢催化还原法是以氢气为还原剂，在催化剂作用下将硝酸盐进行还原，其反应速度快，可避 免对水的二次污染，但是氢气在水中的溶解度低，且易燃易爆，在应用时有诸多不便。电化 学还原法是近来来才发展的一种脱硝方法，以电子为还原剂，无须投加催化剂，但至今处于 理论研究阶段。CN03178365. 1 “一种去除水中硝酸盐的方法和装置”，公布了一种以氢气为还原 齐U，在含有硝酸盐水中加入负载型双金属催化剂，在密闭缺氧条件下连续通入氢气而使水 中硝酸盐彻底还原成氮气。其中，所采用的H2和酸度调节物质都是外带的，并且是间歇性 操作。当用于实验研究，具有灵活、方便、对研究方案的适应性强等优点。但是，不适用于对 饮用供水的连续处理，不宜用于水厂生产化作业；同时，H2和酸度调节药品试剂的携带与投 加对野外、家居应用不适应，并且催化剂是悬浮于水中的，处理水最后还必须与催化剂进行 分离后才能使用。CN200410098590. 2 “金属改性活性炭纤维电极和用该电极去除硝酸盐的方法”，公 布了一种利用贵金属如钯、钼、金、铑、钌中的一种和一种非贵金属如铜、锡、铟、锌、银粒子 改性活性炭纤维，制成可还原水中硝酸盐的电极，该电极为阴极；石墨、氧化铅等惰性导电 材料为阳极，阴阳极之间以质子交换膜隔开，在通电的情况下，将硝酸盐还原。该发明中阴 极是硝酸盐催化还原反应发生的地方，由于阴极带负电，与同样带负电荷的硝酸根离子会 产生电性相斥效果，这样硝酸根在阴极催化剂表面上附着，进而与阴极上电解产生的H2发 生催化还原反应的机会就较为受限，故反应效率、去除硝酸根的效果都难以提高。
实用新型内容针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种处理效率高，反应条件容易控制，不会产生二次污染，并且能进行连续处理含硝酸盐原水的催化还原法去除 硝酸盐装置，使其适宜于实际饮用水的供水处理。本实用新型的目的是这样实现的一种催化还原法去除硝酸盐装置，其以电解产 氢为还原剂、以电解产CO2调节进水的pH值，通过催化还原区催化剂的作用达到去除水中 硝酸盐的目的。该装置包括反应器容置体，其特点在于，所述容置体内上部为催化还原反应 区，下部为电解区，所述催化还原反应区与电解区之间通过布气室隔开，所述布气室顶板、 底板设置有若干过流孔；通过电解区阴极产氢的作用，水中硝酸根离子在催化剂表面被还 原，反应所需的酸性环境由电解区阳极产生二氧化碳与原水进水接触进行调节；电解区阴 极产氢通过过流孔进入布气室，再由布气室进入催化还原反应区。所述布气室顶部为布气 板，之上均布设置有若干过流孔，氢气和水流可从过流孔通过；所述催化还原反应区内设置 有催化剂，在催化还原反应区上方侧壁设置有进水口 ；原水通过进水口从催化剂上方容置 体侧壁溢流进入催化还原反应区，容置体顶部设置有排气口 ；所述电解区内阳极和阴极之 间采用电解隔膜隔为阳极区、阴极区，电解隔膜孔隙允许水和离子通过，而将阴极、阳极产 生的气体隔开；阳极采用石墨，阳极区上方设置有连通管与二氧化碳气体收集管相连，二氧 化碳气体收集管接至原水进水口处；阴极采用碳纤维板，阴极区上方通过过流孔与催化还 原反应区相通，电解区下方设置有出水管道。本装置使用时，出水管首先处于关闭状态，然后开启进水管阀门，让含有硝酸盐的 原水从进水口处进入到容置体内并逐渐充满容置体，然后接通电极电源，石墨阳极电解发 生反应生成CO2,电解反应式主要为C+H20-4e = C02+4H. (e° = 0. 207V)，因其标准电极点位比电极反应 H20_2e = l/202+2H+(e° = 1.229V)低得多，更比含氧酸根离子在阳极上反应的电极电位低得多，所以 阳极电极反应主要生成CO2 ；阴极采用Pt、石墨或碳纤维等的氢超电势很低，阴极反应主要 生成H2,电解反应式主要为2H++2e = H2。阴极生成的氢气经布气室底板过流孔上升进入 布气室，然后经布气板过流孔均勻地进入到催化还原反应区，在催化剂作用下与原水中的 硝酸盐反应生成氮气和水，氮气和残余氢气上升从容置体顶部排气口排出。阳极生成的二 氧化碳通过气管进入二氧化碳酸度调节室，对原水进行酸度调节，反应式主要为C02+H20 = H++H CO”残余二氧化碳经酸度调节室竖向隔板上部空间由排气口排出。在催化还原反 应区中的催化剂作用下，氢气，氢离子，以及硝酸根发生还原反应生成N2，其反应方程式为 2N03>5H2+2H+ = N2+6H20。首次使用时，打开出水管道，将容置体内下部液体排掉，后续出水管出水即为处理 后的干净水。处理过程中，氢气和水流在催化还原反应区呈逆流流动，水流、氢气在催化剂 填料层的停留时间延长，使no3-、氢气向催化剂表面的传质得到强化；同时，电解产生的新 生态氢具有更强活性，使硝酸根离子的还原得以强化，反应处理效果好。实现了对含硝酸盐 废水的连续、有效处理。作为进一步优化，所述电解区内的阳极和阴极为交替设置的数组，阳极和阴极均 为竖向设置的板状体，每一组阳极和阴极之间采用电解隔膜隔为阳极区、阴极区，这样既能增加电解反应效率，保证氢气和二氧化碳的生成量，又能将氢气、二氧化碳分开利用，避免 二氧化碳通过催化剂填料层时对而”吐向催化剂表面的传质产生不利影响，从而提高装置
处理效率。作为再一步的优化，所述的原水进水处配置有二氧化碳酸度调节室，所述二氧化 碳在与进水接触之前，其二氧化碳气体收集管在二氧化碳酸度调节室水位之上，通过倒置U 型管由上向下向延伸，其出气口设于二氧化碳酸度调节室底部；二氧化碳酸度调节室内交 替地横向设置有若干平面挡板，该平面挡板可使水流、二氧化碳在酸度调节室中逆流、折流 接触通过，这样既避免原水进水直接沿二氧化碳气体收集管进入电解区，又达到二氧化碳 与水充分接触，强化二氧化碳对原水进水的酸度调节。作为再进一步的优化，所述催化还原反应区的催化剂上方还平铺有透水垫层。使 原水进入容置体后布水尽可能均勻，避免进水直接冲刷催化剂填料。透水垫层采用透水透 气、性质稳定材料，不影响气体上升外排。作为更进一步的优化，所述催化剂采用高孔隙率、高比表面积载体、其上负载贵金 属和过度金属组分的双金属或多金属的固体催化剂，这样，与采用其他载体相比，相同的装 置能够具有更大的催化剂表面积；硝酸盐加氢催化还原生成N2的反应是在催化剂表面进行 的，催化剂表面积更大意味着处理效果增强、可以处理的水量更大。综上所述，本实用新型提供一种可连续处理含硝酸盐原水的去除水中硝酸盐的装 置，其构造设置合理，不需外加药品试剂、无需外加氢源供氢，操作简单，无二次污染。具有 处理效率高，使用方便等优点。
图1是本实用新型的催化还原法去除硝酸盐装置之结构示意图；图2是图1中进水配置二氧化碳酸度调节室结构放大示意图；图3是本实用新型的左视图；图4是图1的A-A剖面图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的详细说明。具体实施时，如图1至图4所示，一种催化还原法去除硝酸盐装置，包括反应器容 置体1，其中，所述容置体1上部为催化还原反应区2，下部为电解区3，所述催化还原反应 区2与电解区3之间靠布气室4隔开，布气室4顶板和底板上均设置有若干过流孔，顶板为 布气板5 ；以电解区产生氢作还原剂，水中硝酸根离子在催化剂表面被还原，电解区产生二 氧化碳用于调节进水酸度适应催化还原反应的要求；布气室4中氢气通过布气板5上均布 设置的过流孔6进入催化还原反应区2，氢气和水流可从过流孔6通过；所述催化还原反应 区2内配置有催化剂；原水从进水管7通过二氧化碳酸度调节室8后，由催化剂上方的容置 体侧壁溢流进入催化还原反应区2 ；容置体顶部设置有排气口 9 ；所述电解区3内若干阴极10、阳极11平行交错布置，每一组阴极10和阳极11之间采用电解隔膜12隔为阳极区、阴 极区，电解隔膜孔隙允许水和离子通过，而将阴极10、阳极11产生的气体隔开；阳极11采 用石墨，阳极区上方隔板设置有连通管13与二氧化碳气体收集管14相连通，二氧化碳气体收集管14接至原水进水酸度调节室8，与原水接触后经竖向隔板15上部空间由排气口9排 出；阴极10采用碳纤维板，阴极区上方隔板(即布气室底板)设置有过流孔16供氢气和水 流通过。阴极10、阳极11通过导线分别与直流电源17的-极、+极相连。出水管18位于 电解区3下方。作为一种优化的实施方式，所述电解区内的阴极10和阳极11为交替设置的数组， 阴极10和阳极11均为竖向设置的板状体，每一组阳极和阴极之间采用电解隔膜隔为阳极 区、阴极区，这样既能增加电解反应效率，保证氢气和二氧化碳的生成量，又能将氢气、二氧 化碳分开利用，避免二氧化碳通过催化剂填料层时对而3_、吐向催化剂表面的传质产生不利 影响，从而提高装置处理效率。具体实施时阳极可以采用规格为350*180*40的石墨电极 板，阴极可采用规格为350*180*5的碳纤维电极板。作为再一步优化的实施方式，所述的进水7配置有二氧化碳酸度调节室8，如图2 所示，在二氧化碳酸度调节室8水位之上，所述二氧化碳气体收集管14通过倒置U型管由 上向下延伸，其出气口设于二氧化碳酸度调节室8底部；二氧化碳酸度调节室8内交替地横 向设置有若干平面挡板19，使水流、二氧化碳在酸度调节室8中逆流、折流接触通过，这样 既避免原水进水直接沿二氧化碳气体收集管14流至下部电解区3，又可实现二氧化碳与水 充分接触，强化二氧化碳对进水的酸度调节。作为再进一步优化的实施方式，所述还原反应区2的催化剂上方还平铺有透水垫 20，使原水进入催化还原反应区2的布水尽可能均勻，避免进水直接冲刷催化剂填料。透水 垫20可采用棕毛垫，具体实施时也可以采用别种透水透气、性质稳定材料。所述催化剂采用以Al2O3为载体、其上负载贵金属和过度金属组分的双金属或多 金属的固体催化剂，硝酸盐加氢催化还原生成N2的反应是在催化剂表面进行的，催化剂表 面积更大意味着处理能力更强、可以处理的水量更大。具体实施时，可以采用现有技术中已 有的其他催化剂。具体应用时，本装置容置体容积大小、电极板大小、还原反应区大小等参数可根据 处理原水中硝酸盐浓度、处理水量的大小进行调整，使其与处理水质、水量匹配。下面列举 两实验实例。实例1 装置容置体容积为30L，其中，催化还原反应区中负载钯-铜双金属的 γ-Al203 催化剂粒径1.0-3.5mm、BET比表面积238m7g、Pd 5. lwt%,Cu 1. 8wt%，体积 15L， 电解区体积15L(含电极体积)，处理原水由硝酸钾配制，浓度30mg/L，条件如下电极阳极石墨电极板350*180*40,5块阴极碳纤维片350*180*5，6块电极间距2謹电流强度1.0mA电压2· OV温度20-25°C流量20L/h处理后水质为NO2^ 小于 0. 003mg/L、NOfO. 05mg/L,去除率 99. 8%。实例2 装置容置体容积为30L，其中，催化还原反应区中负载钯-铜双金属的γ-Al203 催化剂粒径1.0-3.5mm、BET比表面积238m7g、Pd 5. lwt%,Cu 1. 8wt%，体积 15L， 电解区体积15L(含电极体积)，处理原水由硝酸钾配制，浓度50mg/L，条件如下电极阳极石墨电极板350*180*40,5块阴极碳纤维片350*180*5，6块电极间距:2mm电流强度1.0mA电压2· OV温度20-25°C流量20L/h处理后水质为NO2^ 小于 0. 01mg/L、NOfO. 12mg/L,去除率 99. 8%。本装置可高效地去除水中硝酸盐，实用效果非常优良。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求一种催化还原法去除硝酸盐装置，包括反应器容置体，其特征在于，所述容置体内上部为催化还原反应区，下部为电解区；所述催化还原反应区与电解区之间通过布气室隔开；所述布气室顶板和底板设置有若干过流孔；所述催化还原反应区内设置有催化剂，在催化还原反应区上方侧壁设置有进水口；容置体顶部设置有排气口；所述电解区内的阳极和阴极之间采用电解隔膜隔为阳极区和阴极区，电解隔膜孔隙允许离子通过，而将阴极、阳极产生的气体隔开；阳极采用石墨，阳极区上方设置有连通管与二氧化碳气体收集管相连，二氧化碳气体收集管接至原水进水口处；阴极采用碳纤维板，阴极区通过上方布气室顶板、底板过流孔与催化还原反应区相通，电解区下方设置有出水管道。
2.如权利要求1所述的催化还原法去除硝酸盐装置，其特征在于，所述电解区内的阳 极和阴极为平行、交替设置的数组，阳极和阴极均为竖向设置的板状体。
3.如权利要求1所述的催化还原法去除硝酸盐装置，其特征在于，所述的进水口进水 位置处配置有二氧化碳酸度调节室，在二氧化碳酸度调节室水位之上，所述二氧化碳气体 收集管通过倒置U型管由上向下延伸，使其出气口设于二氧化碳酸度调节室底部，二氧化 碳酸度调节室内在进水管标高之下横向设置有若干平面挡板，所述平面挡板一端交替地上 下连通。
4.如权利要求1所述的催化还原法去除硝酸盐装置，其特征在于，所述催化还原反应 区的催化剂上方平铺有透水垫层。
5.如权利要求1所述的催化还原法去除硝酸盐装置，其特征在于，所述催化剂采用对 硝酸盐氢化还原生成氮气有催化作用、由贵金属和过度金属组成的双金属或多金属的固体 催化剂。
专利摘要本实用新型公开了一种催化还原法去除硝酸盐装置。尤其涉及一种利用电解单元与催化剂催化还原单元去除水中硝酸盐的装置。该装置上部为催化还原反应单元，下部为电解单元；电解区阳极采用石墨板，阴极采用碳纤维板；阳极生成的CO2，通过气管接至进水处与进水接触调节进水pH；阴极生成的H2，经布气室、布气板进入催化还原反应区参与水中硝酸盐的催化还原反应。水流与氢气以逆流的方式经过催化反应区，在负载金属Pd或Pd-Cu等催化剂的作用下，水中硝酸盐被还原为氮气。本装置可对含硝酸盐原水进行连续处理，不需外加药品试剂，接通电源后处理过程自动进行，电解产物得到合理利用，构造合理，处理效率高，使用方便。
文档编号C02F1/58GK201567256SQ200920207440
公开日2010年9月1日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者汪昆平, 王涛, 蒋绍阶, 郭劲松 申请人:重庆大学