一种多室电化学脱氮除氯反应器

1.本实用新型涉及一种电化学装置，具体涉及一种多室电化学脱氮除氯反应器。


背景技术：

2.近年来，电化学法因其无药剂投加、易于自动化、占地面积小等优势在处理高盐高氮废水方面受到了许多关注。目前采用的电化学反应器一般有两种结构：1.无隔膜全混型电化学反应器，即主要结构由反应槽、阴极和阳极组成；在全混型电化学反应器处理废水时，水（h2o）在阴极表面发生析氢反应产生氢气（h2），在阳极表面发生析氧反应产生氧气（o2），如果h2和o2混合则会有产生爆炸的风险，这也是目前全混型电化学反应器存在的一种安全性问题。2.单膜两室型电化学反应器，即主要结构由反应槽、阴极、阳极和一个离子交换膜组成。单膜两室型电化学反应器分隔了产生的气体，但其通常难以实现连续流进水。这两种常见的反应器都可以实现水体中硝态氮（no
3-‑
n）的去除，但是由于水体中含有的高浓度氯化钠（nacl）会在阳极生成的大量游离氯，从而会对水体造成污染。该水体有强氧化性未经处理不能排放，且影响水处理的后续步骤、腐蚀阀门及管道、影响水生动植物的安全。所以现有的电化学反应器限制了对含高盐高氮废水处理的大规模应用。
3.综上所述，目前需要一种新型的电化学反应器，在处理高盐高氮水体时不仅能够去除水体中的总氮（tn），还能同时去除产生的过量游离氯。


技术实现要素：

4.针对目前尚无电化学还原法去除游离氯的反应器，本实用新型的目的是提供一种电化学脱氮除氯反应器，在一个反应器内实现高盐高氮水体脱氮和除余氯的过程。
5.为实现以上的目的，本实用新型将采取以下的技术方案：
6.一种多室电化学脱氮除氯反应器，包括依次顺序连接的多级反应器m1、m2…
mi、mn以及1个除氯室，n ≥1（优选1≤n≤5），每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过管道连通，交替进行还原和氧化反应，相邻一级反应器之间通过管道串联连通，除氯室与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过管道连通，其中，阴极室进行硝态氮的还原，阳极室进行氨氮的氧化，除氯室进行游离氯的还原。
7.优选地，相邻一级反应器之间通过管道将前一级反应器的阳极室与后一级反应器的阴极室串联连接。
8.优选地，每级反应器均包括采用阳离子交换膜进行分隔的阴极室和阳极室，其阴极室和阳极室之间通过设置双向循环输送泵的水管连通，使得阴极室和阳极室的水体能够实现交叉循环。
9.优选地，除氯室与最后一级反应器的阳极室之间采用阳离子交换膜分隔，且通过设置单向输送泵的水管连通，除氯室内还设置搅动装置，使得除氯室的水体能够实现内循环。
10.优选地，多级反应器中的阴极室采用脱氮电极作为阴极，具体选自钛负载金属氧化物、钛基铜氧化物、钛基钴氧化物、钛基镍氧化物、钛基锡氧化物、钛基钌氧化物、钛基锑氧化物或钛基混合金属氧化物中任意一种；阳极室采用析氯电极作为阳极，具体选自钌铱钛、钽铱钛中任意一种；除氯室采用金属电极作为阴极，具体选自铁（fe）、钛（ti）、不锈钢电极中任意一种，或采用碳素电极作为阴极，具体选自石墨、石墨毡、活性炭、碳纤维、碳纳米管中任意一种。
11.优选地，阴极室的阴极与阳极室的阳极之间的面积比为0.3~10，阳极室的阳极与除氯室的阴极的面积比为0.3~10。
12.与现有反应器相比，本实用新型具有如下优点：
13.（1）本实用新型解决了高盐水体经电化学装置后产生大量游离氯的问题。
14.（2）本实用新型可以同时高效脱氮和高效除氯，实现反应器一体化。
15.（3）本实用新型提供的反应器在处理过程中无还原剂药剂投加，能有效避免二次污染。
16.（4）本实用新型提供的反应器反应可控度高，易于实现设备自动化。
附图说明
17.图1为本实用新型所述的一种多室电化学脱氮除氯反应器的结构示意图。
18.图1中，1-1为第一阴极室，1-2为第一阳极室，2-1为第二阴极室，2-2为第二阳极室，3-1为第三阴极室，3-2为第三阳极室，4-1为第四阴极室，4-2为第四阳极室，5-1为第五阴极室，5-2为第五阳极室，6为除氯室。
具体实施方式
19.本实用新型不用于传统的多室电化学还原反应器，传统的多室电化学反应器一般阴极室和阳极室数量相等，利用阴极室进行电催化还原，利用阳极室进行电催化氧化，而本实用新型针对游离氯可以在阴极表面得到电子，从而被还原为氯离子的方法，提出将脱氮和除氯过程结合起来，在一个多室电化学脱氮除氯反应器中完成，有利于降低水中的余氯。将高盐高氮水体通入多级反应器的阴极室和阳极室，处理第一批水体时在除氯室加入电解质溶液。通入电流后，水体中的no
3-在阴极板表面还原生成nh
4+
和少量no
2-，水体中的cl-在阳极板表面生成cl2，其溶于水生成hclo和naclo，当阴极室与阳极室水体循环流动时，nh
4+
与hclo和naclo反应生成n2，阴阳两极的还原氧化反应交叉反应，水中的tn得以去除。此时阴极室和阳极室水体中仍含有大量的游离氯（cl2、hclo、clo-），排出除氯室中的电解质溶液，将多级反应器的阴极室和阳极室中的水体以一定的流速通入除氯室，cl2、hclo、clo-在除氯阴极板表面得到电子还原为cl-以降低出水中的余氯，综上所述实现了高盐高氮水体的脱氮除氯。
20.结合图1，本实用新型给出了十一室电化学脱氮除氯反应器的结构示意图，从左至右，包括依次顺序连接的第一阴极室1-1、第一阳极室1-2、第二阴极室2-1、第二阳极室2-2、第三阴极室3-1，第三阳极室3-2，第四阴极室4-1，第四阳极室4-2、第五阴极室5-1、第五阳极室5-2以及1个除氯室6，第一阴极室1-1和第一阳极室1-2构成第一级反应器，第二阴极室2-1和第二阳极室2-2构成第二级反应器，
……
，第五阴极室5-1和第五阳极室5-2构成第五
级反应器，各阴极室和阳极室之间采用阳离子交换膜进行分隔，其目的是避免阴极产生的氢气和阳极产生的氧气混合，从而提高反应器的安全性，同时，采用阳离子交换膜是为了使硝态氮不直接穿过隔膜而降低还原率，各阴极室和阳极室之间通过水管连通（即第一阳极室1-2、第二阴极室2-1之间通过水管串联连通，第二阳极室2-2、第三阴极室3-1之间通过水管串联连通，
……
），交替进行还原和氧化反应，除氯室6与第五阳极室5-2之间也采用阳离子交换膜分隔，且通过水管连通，其中，各阴极室进行硝态氮的还原，各阳极室进行氨氮的氧化，除氯室6进行游离氯的还原。
21.工作时，水体从第一级反应器的第一阴极室1-1底部的进水口进入，由于第一阴极室1-1、第一阳极室1-2之间设置了交叉循环水管，保证硝酸根的还原和铵根的氧化能交替进行，以实现总氮的去除。可根据水体情况选择不同级数的反应器，总氮浓度高时增加反应器个数，反之减少，以缩短反应时间，提高反应效率。每一级反应器均是通过水管连通，实现不同浓度水体的多级氧化和还原处理。第五级反应器的第五阳极室5-2和除氯室6之间也通过水管连通，水体由第五阳极室5-2单向流通至除氯室6，因此已完成总氮去除后的水体流入除氯室6以实现游离氯的去除。最终整个本实用新型所述的反应器实现了高盐高氮水体的脱氮除氯。
22.实施例1
23.某工厂的树脂脱附液经纳滤处理后cod为200 mg/l，硝态氮浓度为483 mg/l，盐度为8.1%。
24.将1 l滤出液进入五室电化学脱氮除氯反应器，各极室采用的电极材料和面积比如下：第一阴极室阴极采用钛基钴氧化物电极，第一阳极室采用钌铱钛电极，电极面积比为1:1；第二阴极室采用钛基钴氧化物电极，第二阳极室采用钌铱钛电极，除氯室的阴极采用钛板，电极面积比为1:1:2。
25.各极室使用的电流密度如下：第一阴极室与第一阳极室的为20 ma/cm2，第二阴极室与第二阳极室的电流密度为30 ma/cm2，第二阳极室和除氯室的电流密度为10 ma/cm2。
26.各极室之间的水体流速为：第一阴极室和第一阳极室间水体循环流速为5 ml/min，第二阴极室和第二阳极室间水体循环流速为5 ml/min，第二阳极室流向除氯室的水体流速5 ml/min。
27.电化学反应10h后总氮去除率为90%，游离氯去除率为95%。
28.实施例2
29.树脂对某乳酸生化尾水吸附产生10 t/d浓液，经纳滤操作处理后cod为350 mg/l，硝态氮浓度为931 mg/l，盐度为11.3%。
30.将500ml滤出液进入三室电化学脱氮除氯反应器，各极室采用的电极材料和面积比如下：第一阴极室阴极采用钛基铜钴氧化物电极，第一阳极室采用钌铱钛电极，除氯室的阴极采用不锈钢板电极，电极面积比为3:2:1。
31.各极室使用的电流密度如下：第一阴极室与第一阳极室电流密度为30 ma/cm2，第一阳极室和除氯室的电流密度为10 ma/cm232.各极室之间的水体流速为：第一阴极室与第一阳极室间水体的循环流速为10 ml/min，水体从第一阳极室流向除氯室的流速为8 ml/min。
33.电化学反应7h后总氮去除率为92%，游离氯去除率为99%。
34.实施例3
35.某工厂产生高氮高盐废水，其水质为硝态氮浓度为486 mg/l，盐度为9.7%。
36.将2 l废水进入十一室电化学脱氮除氯反应器，各极室采用的电极材料和面积比如下：第一阴极室、第二阴极室、
……
第五阴极室均采用钛基铜氧化物电极，第一阳极室、第二阳极室
…
第五阳极室均采用钌铱钛电极，各阳极室与阴极室的电极面积比为1:1，除氯室采用石墨电极，第五阳极室与除氯室电极面积比为1:1。
37.各极室使用的电流密度如下：第一阴极室、第二阴极室、
……
第五阴极室与第一阳极室、第二阳极室
…
第五阳极室的电流密度均为20 ma/cm2，第五阳极室与除氯室的电流密度为5 ma/cm2。
38.各极室之间的水体流速为：第一阴极室与第一阳极室，第二阴极室与第二阳极室，
……
，第五阴极室与第五阳极室间水体的循环流速均为15 ml/min，水体从第五阳极室流向除氯室的流速为12 ml/min。
39.电化学反应6h后总氮去除率为90%，游离氯去除率为95%。
40.通过以上实施例可知，本实用新型的多室电化学脱氮除氯反应器，可以同时高效脱氮和高效除氯，实现反应器一体化。