一种催化氧化和自养反硝化阵列电极及制备方法与流程

1.本发明涉及水污染脱氮技术领域，特别涉及一种催化氧化和自养反硝化阵列电极及制备方法。


背景技术：

2.水环境氮污染是当前世界水环境面临的紧迫挑战之一，污水脱氮与地表水和地下水等自然水体的脱氮问题一直是环境领域的科技工作者关注的热点。
3.当前污水脱氮领域主要依靠传统的硝化-反硝化机制，但是反硝化过程中碳源不足的问题是限制当前污水脱氮效率的关键环节，添加碳源可实现污水的有效脱氮，但增加的成本使得污水深度反硝化没有大面积普及，排入地表水或地下水后，硝氮的脱除更是成为一个难题，尤其是巨量的地表水不可能再依靠传统的污水处理方式实现硝氮脱除。
4.传统的异养反硝化需要严格的厌氧环境也使得地表水脱除硝氮几乎成为不可能完成的任务，无机矿物自养反硝化以及低氧条件下催化氧化氨氮机制的发现使得依靠矿物电极实现同步脱除氨氮和硝氮成为可能，其中二氧化锰尤其是生物二氧化锰具有低氧条件下催化氧化氨氮的能力，含低价铁硫矿物具有化学反硝化和自养反效果脱除硝氮的能力。
5.关于二氧化锰的催化氧化氨氮和低价铁硫的自养反硝化脱除硝氮问题，已有相关的研究报道，但在应用于水体脱氮时，尤其是地表水体脱氮时，不可能将二氧化锰粉料或低价铁硫粉料直接应用于地表水体，也就是说该机制应用于地表水是难以解决二氧化锰或铁硫成分散溢到水中的难题，也难以解决二氧化锰和低价铁硫矿物之间的相互作用问题，限制了该机制在水体脱氮中的应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种催化氧化和自养反硝化阵列电极及制备方法，以解决上述背景技术中提出的水体脱氮困难的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种催化氧化和自养反硝化阵列电极，包括：催化氧化阴极、自养反硝化阳极、极间绝缘层、连接导线、恒压直流电源与封装微米无纺布；
8.所述催化氧化阴极由碳纤维毡与二氧化锰粉末和导电粉末混合层组成，通过导电胶进行粘合，所述碳纤维毡位于所述二氧化锰粉末和导电粉末混合层的两侧；
9.所述自养反硝化阳极由碳纤维毡与黄铁矿粉末和导电粉末混合层组成，通过导电胶进行粘合，所述碳纤维毡位于所述黄铁矿粉末和导电粉末混合层的两侧。
10.优选的，所述催化氧化阴极中所述碳纤维毡的厚度小于0.3cm，所述二氧化锰粉末和导电粉末混合层中二氧化锰粉末粒径小于200目，二氧化锰含量大于50％，导电粉末为石墨烯、炭黑与碳纳米管混合物或为其中之一。
11.优选的，所述自养反硝化阳极中所述碳纤维毡的厚度小于0.3cm，所述黄铁矿粉末和导电粉末混合层中黄铁矿粉末粒径小于100目，导电粉末为石墨烯、炭黑或碳纳米管混合
物或为其中之一。
12.优选的，所述极间绝缘层由无机矿物纤维构成，无机矿物纤维厚度为2-3mm。
13.优选的，所述连接导线为钛丝导线或者碳纤维束导线。
14.优选的，所述恒压直流电源为能够稳定供电的电源转换器或储能电池。
15.优选的，所述封装微米无纺布为耐腐蚀无纺布，孔径50-100um。
16.根据权利要求1-7任一项所述的一种催化氧化和自养反硝化阵列电极的制备方法，制备步骤如下：
17.步骤a：将碳纤维毡裁剪后平铺；
18.步骤b：将二氧化锰粉末与导电粉末料混合后溶于导电胶中；
19.步骤c：将步骤b中所得胶体涂于步骤一中平铺的碳纤维毡上，厚度2-3mm，中间加上连接导线；
20.步骤d：再平铺一层碳纤维毡；
21.步骤e：将无机纤维溶于环氧树脂中，然后进行搅拌；
22.步骤f：将步骤e中得到的浆状物粘附与步骤d中的碳纤维毡上；
23.步骤g：快速铺上一层碳纤维毡；
24.步骤h：将黄铁矿粉末与导电粉末料混合后溶于导电胶中；
25.步骤i：将步骤h所得胶体涂于步骤g平铺的碳纤维毡上，厚度2-3mm，中间加上连接导线；
26.步骤j：然后再平铺一层碳纤维毡；
27.步骤k：将上述片层压实，最后使用封装微米无纺布进行封装。
28.本发明的技术效果和优点：
29.1、本发明提供的微电场驱动的催化氧化和自养反硝化电极经阵列式排布后，使用封装微米无纺布进行封装后可用于低氧环境中的水污染物氨氮、硝氮的同时脱除，具有低成本、便捷化、高效率的特点。
30.2、本发明通过导电材料包埋，实现二者之间的物理隔绝和直接溢出到水体中混合的问题，同时通过微电场驱动，实现不同氮污染成分的分离，实现同步脱除氨氮和硝酸盐氮。
附图说明
31.图1为本发明单组电极结构示意图。
32.图2为本发明五组电极阵列式排布示意图。
33.图中：101、催化氧化阴极；102、自养反硝化阳极；103、极间绝缘层；104、连接导线；105、恒压直流电源；106、碳纤维毡；107、二氧化锰粉末和导电粉末混合层；108、黄铁矿粉末和导电粉末混合层。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明提供了如图1-2所示的一种催化氧化和自养反硝化阵列电极及制备方法，一种催化氧化和自养反硝化阵列电极，包括：催化氧化阴极101、自养反硝化阳极102、极间绝缘层103、连接导线104、恒压直流电源105与封装微米无纺布；催化氧化阴极101由碳纤维毡106与二氧化锰粉末和导电粉末混合层107组成，通过导电胶进行粘合，碳纤维毡106位于二氧化锰粉末和导电粉末混合层107的两侧；自养反硝化阳极102由碳纤维毡106与黄铁矿粉末和导电粉末混合层108组成，通过导电胶进行粘合，碳纤维毡106位于黄铁矿粉末和导电粉末混合层108的两侧，各片层粘合后通过烘干即可完成单电极制备，通过牢固的不锈钢或pvc板材等封装，组成多电极组的排布阵列，以便于应用于不同的场合，如污水脱氮厌氧处理反应器中、水生态修复中和浮岛构成一体化装备与城市污水管道中脱出氮污染设备，通过在两电极间施加微电场，驱动水中铵根等阳离子和硝酸根等阴离子分别向阴极和阳极聚集，施加的电压低于水电解电压，不会造成水的电解，短期内，通过阴极的催化氧化矿物材料，实现铵根离子的低氧化学氧化，通过阳极的低价铁硫成分，实现硝酸根的化学反硝化；长期内，通过电极负载的生物膜，实现阴极铵根的生物硝化和阳极硝酸以及亚硝酸根的生物自养反硝化，通过微电场的驱动，实现水体的同步脱除氨氮和硝酸盐氮，通过电极组的联合阵列作用，实现水体的快速脱除氮污染。
36.在本实施例中，催化氧化阴极101中碳纤维毡106的厚度小于0.3cm，二氧化锰粉末和导电粉末混合层107中二氧化锰粉末粒径小于200目，二氧化锰含量大于50％，导电粉末为石墨烯、炭黑与碳纳米管混合物或为其中之一，使用混合物时三者的比例为1:1:1；自养反硝化阳极102中碳纤维毡106的厚度小于0.3cm，黄铁矿粉末和导电粉末混合层108中黄铁矿粉末粒径小于100目，fes2含量大于50％，导电粉末为石墨烯、炭黑或碳纳米管混合物或为其中之一，使用混合物时三者的比例为1:1:1，导电胶为炭系导电胶，这样在保证质量的同时可以降低成本。
37.在本实施例中，极间绝缘层103由无机矿物纤维构成，无机矿物纤维厚度为2-3mm，使用无机粘合剂和两极相互粘合，无机纤维和两电极碳纤维毡106之间由无机硅胶或有机聚合物粘合剂粘合，优选采用无机硅胶粘合剂或者环氧树脂粘合剂。
38.在本实施例中，连接导线104选择电阻率高、无二次污染的纤维导体，可以选择钛丝导线或者碳纤维束导线，恒压直流电源105选用能够稳定供电的电源转换器或者储能电池供电，输出电压1-1.2v，封装微米无纺布为耐腐蚀无纺布，孔径50-100um。
39.一种催化氧化和自养反硝化阵列电极的制备方法，制备步骤如下：
40.步骤a：将碳纤维毡106裁剪后平铺；
41.步骤b：将二氧化锰粉末与导电粉末料混合后溶于导电胶中；
42.步骤c：将步骤b中所得胶体涂于步骤一中平铺的碳纤维毡上，厚度2-3mm，中间加上连接导线；
43.步骤d：再平铺一层碳纤维毡；
44.步骤e：将无机纤维溶于环氧树脂中，然后进行搅拌；
45.步骤f：将步骤e中得到的浆状物粘附与步骤d中的碳纤维毡上；
46.步骤g：快速铺上一层碳纤维毡；
47.步骤h：将黄铁矿粉末与导电粉末料混合后溶于导电胶中；
48.步骤i：将步骤h所得胶体涂于步骤g平铺的碳纤维毡上，厚度2-3mm，中间加上连接导线；
49.步骤j：然后再平铺一层碳纤维毡；
50.步骤k：将上述片层压实，最后使用封装微米无纺布进行封装。
51.实施例一：催化氧化阴极101由碳纤维毡106与二氧化锰粉末和导电粉末混合层107组成，通过导电胶粘合，其中碳纤维毡106厚度0.3cm，长度宽度为0.2m*0.2m，二氧化锰粉末粒径250目，二氧化锰含量50％，自养反硝化阳极102由碳纤维毡106与黄铁矿粉末和导电粉末混合层108组成，通过导电胶粘合，其中碳纤维毡106厚度0.3cm，长度宽度为0.2m*0.2m，黄铁矿粉末粒径100目，fes2含量50％，导电粉末为炭黑(粒径200mu)，导电胶为炭系导电胶，极间绝缘层103由无机矿物纤维构成，厚度3mm，采用环氧树脂作为粘合剂，连接导线选择碳纤维束导线，恒压直流电源105选择恒压电源转换器，输出电压1v，封装微米无纺布用丙纶纺粘无纺布，无纺布孔径50-100um，按照前述方法制备得到单组电极；
52.采用五组电极阵列式并联置于15l整理箱中，整理箱有效盛水10l，取实际污染河道水，氨氮2.7mg/l，硝氮10.8mg/l，施加微电场后6h后，氨氮降为1.2mg/l，硝氮降为4.3mg/l，该系统能够用于地表水修复，实现同步脱氮。
53.实施例二：电极制备方法同实施例一；
54.采用五组电极阵列式并联置于10l微宇宙厌氧反应器中，添加取自污水处理厂a池的厌氧污泥驯化1周，然后开始启动试验，进水氨氮5.6mg/l，硝氮18.3mg/l，cod62mg/l，施加微电场后12h后，出水氨氮降为1.8mg/l，硝氮降为3.5mg/l，该系统能够用于厌氧反应器，实现同步脱氮。
55.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。