用于将氨从含氨的水性液体转化为分子氮的设备和方法与流程

本发明涉及用于将氨从含氨的水性液体转化为分子氮的设备和方法。

背景技术：

1、含氨的水性液体(其中氨仅以低浓度存在)是无处不在的。

2、这种液体例如来自有机废弃物如家用废水、污水淤泥或发酵产物，它们例如在生物气体设备中产生。

3、目前，在实践中在有机废弃物中氨或者保留在废弃物中或者在显著的能量消耗下从废弃物中被抽出。

4、因此，目前发酵产物通常分布在农业的有效面积上，而不减少氨含量，从而氨直接进入到土地中，在那里然后氨到硝酸盐的硝化过程和硝酸盐到分子氮的脱氮过程以自然的方式发生。

5、由污水处理设备已知，通过培养合适的细菌来模拟硝化和脱氮的这种自然过程。对于硝化来说需要大量氧，为了其制造必须消耗大量能量。此外，这种由细菌引起的过程难以被控制。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，尽可能对环境无害地控制并且有效地转化具有低氨浓度的不纯的水性液体中的氨并且将其置于所期望的值。

2、发酵产物例如可以在一升液体中含有约800毫克氨。期望的例如可以是每升150毫克的值。这种氨浓度例如可以对于在生物反应器中制造肥料是最佳的。

3、为了解决所述任务，本发明提出权利要求1的特征。特别是，因此根据本发明在开头所述类型的设备中为了解决所述任务而提出，该设备具有用于使液体在回路中循环的装置、用于将液体添加到所述回路中的入口和用于从所述回路中抽取液体的抽取开口。所述回路的装置包括阴极室，该阴极室具有阴极。所述装置还包括用于将氨转化为分子氮的阳极室，其中，该阳极室具有阳极。所述建议规定，所述阳极室具有用于循环液体的输入管路，其中，该阳极室具有用于循环液体到阴极室中的穿通部，并且其中，所述阴极室具有用于循环液体的输出管路，该输出管路与阳极室的输入管路经由用于泵送循环液体的泵连接。

4、因此，提出了一种设备，其中，阳极室和阴极室属于一个共同的回路。在此，所述液体可以连续地并且多次地被引导通过阳极室和阴极室。这即使在氨初始浓度低并且特别是最终氨目标浓度低的情况下也能够实现连续的、对环境无害的并且受控制的氨转化，其中，在氨转化时还产生电能。

5、因此，在污水处理厂中实施细菌转化时不能或者仅在非常高的能量消耗下才能实现直至例如低于10毫克/升的低氨浓度的转化。然而，通常需要在所述范围内的低氨浓度。相反地，在根据本发明的设备中能够容易实现这种低的氨浓度。虽然，当应实现非常低的氨浓度时，时间耗费稍微提高。然而，测量已被证明，在数小时或数天内可以达到甚至低于1毫克/升的非常低的氨浓度，并且在这种情况下甚至产生了能量。

6、所述阳极室构造成，在运行中将氨转化为氮。所述阴极室可以构造成，在运行中将从阳极到阴极的电子在存在于液体中的质子、氧和/或过氧化氢的化学参与下输出给液体，它们可以被转化为水分子。

7、为了能够实现从阳极到阴极的电子流，可以规定，所述阳极和所述阴极相互电连接。为了能够利用产生的电能，可以规定，在所述阳极与所述阴极之间的电连接件中布置有负载。

8、所述阴极室优选在阴极室的相对置的侧上具有两个电极。所述两个电极可以相互电连接。

9、所述抽取开口可以是可封闭的。抽取开口例如可以通过接头给出，该接头可以利用阀封闭。抽取开口例如也可以通过向上敞开的容器的入口给出。因此，所述阴极室可以具有容器，该容器可以向上用盖封闭。液体的移除然后可以例如通过可插入到容器中的软管来进行。因为液体在回路中循环，所以抽取开口原则上可以构造在回路的任意部位处。

10、原则上，所述入口也可以构造在回路的任何部位处。优选地，该入口然而连接在或构造在阳极室的输入管路上。这特别是对于该设备的初始化可以是特别有用的，或者当所述循环在此期间被中断，例如以便提供过氧化氢或另一种物质时，所述另一种物质应当首先流动到阳极室中。

11、也可以规定，该入口同时构成抽取开口。

12、阳极室的输入管路和穿通部是所述回路的装置。在运行中，循环液体流动穿过它们。

13、所述阴极室和/或所述阳极室优选分别包括至少一个液体密封的容器。

14、第一储箱可以与入口连接，流体可以通过该入口被添加给所述回路，例如通过之前提到的入口。第一储箱可以填充有含氨的水性液体。

15、第二储箱可以与入口连接，流体可以通过该入口被添加给所述回路，例如通过之前提到的入口。第二储箱可以填充有过氧化氢。

16、在一个有利的设计方案中可以规定，所述阳极室的穿通部具有阀，所述穿通部能够利用阀打开和关闭。优选地，所述阀构造在穿通部上或中。所述阀提供中断液体回路的可能性。这例如在初始化该设备时或者在其它情况中是有利的，在这些情况中液体的正常循环应当被中断，或者在这些情况中将位于阳极室中的物质通过穿通部输出到阴极室中是不期望的。

17、在根据本发明的设备的另一个有利的设计方案中，所述阳极室布置在所述阴极室之内。这样的布置结构提供了多种可能性。因此，由此可以实现可以容易地将阳极室的内含物输出到阴极室中。这可以通过穿通部或其它出口进行。因此，特别是可以实现另一个出口布置在阴极室中的阴极附近。如在其它方面还要更详细地阐述的那样，这可以是有利的，因为由此可以将过氧化氢和/或氧直接送至阴极，这可以提高氨转化。

18、在另一个有利的设计方案中可以规定，所述阳极室除了穿通部之外还具有至少一个另外的到所述阴极室中的出口。优选地，每个阳极室模块具有到阴极室中的单独出口。优选地，所述至少一个另外的出口这样确定尺寸，使得通过穿通部流动到阴极室中的液体的量超过流动通过所述至少一个另外的出口的液体的总量。特别优选地，所述至少一个另外的出口这样确定尺寸，使得通过穿通部流动到阴极室中的液体的量超过流动通过所述至少一个另外的出口的液体的总量的数倍，例如超过多于5倍、超过多于10倍、超过多于20倍、超过多于50倍或甚至超过多于100倍。

19、所述至少一个出口优选这样确定尺寸，使得在正常运行中液体的循环不会由于从所述至少一个出口的泄漏而受到干扰。从所述至少一个出口的轻微泄漏不会干扰液体的循环，从而不会明显地影响效率。

20、所述至少一个出口的尺寸可以特别是通过出口的半径和长度的合适尺寸来进行。

21、如果仅一个阳极容器构造有出口和穿通部，则当穿通部的流动阻力小于出口的流动阻力时，更大的量流动通过穿通部。

22、例如，所述至少一个出口的直径可以窄于1mm，或者在0.3mm至0.8mm之间。

23、附加的出口可以特别是在初始化该设备时是有利的。对此在其它方面还将更详细地讨论。

24、在另一个有利的设计方案中可以规定，在所述阳极室中布置有用于将过氧化氢催化裂解为优选分子氧和水的催化剂。优选地，所述催化剂是二氧化锰。通过这种设计方案，可以在阳极室中产生氧，然后可以将氧送至阴极室中并且在那里尽可能接近阴极。由于过氧化氢不同于分子氧是液态的，所以少量就足以提供大量的氧。特别是当阳极室没有完全填充一种或所述液体，而阴极室可以完全填充所述液体时，在阳极室中的过氧化氢的受控制的转化可以很好地进行。

25、在另一个有利的设计方案中可以规定，所述阴极的材料是用于将过氧化氢催化裂解为分子氧和水的催化剂。优选地，所述阴极的材料是二氧化锰。所述设计方案方案具有如下优点，即改善了在阴极处的氧可用性。在阴极处的高氧可用性在具有低氨浓度的液体中是效率提高的。在这种情况下，仅有少量的电子从阳极迁移到阴极，使得这些电子在阴极处难以与氧接触。高的氧可用性增加了电子与氧分子接触的机会。

26、所述效果基于如下认识，即位于阴极室中的氧分子借助吸收阴极电子首先形成过氧化氢分子作为中间产物，所述过氧化氢分子然后通过吸收另外的电子和自由质子被还原成水分子。因此，氧的再生成(其也可被称为氧的再循环)抑制自由质子与自由电子的中和，有利于提高在阴极处的氧分子的密度，这增加了新进入的电子找到在阴极处的反应物的机会。因此，这对从阳极到阴极的电子流具有积极的影响，这也改善了在阳极处的转化。

27、优选地，所述阳极的材料为锌。锌以特别有效的方式促进氨在阳极室中转化为分子氮。

28、在该设备的另一个有利的设计方案中可以规定，所述阳极室包括多于一个阳极室模块，其中，所述阳极室模块在回路中相互串联连接。在回路中串联连接意味着，在运行中液体在重新流动通过第一阳极室模块之前依次相继地从第一个到最后一个流动通过所述阳极室模块。因此，所述阳极室模块在运行中被液体依次穿过。

29、这例如可以通过如下方式实现，即阳极室的输入管路连接到第一阳极室模块的入口上，该第一阳极室模块具有与第二阳极室模块的入口连接的输出管路，其中，第二阳极室模块本身具有与下一个阳极室模块的入口连接的输出管路，其中，这种连接方式延续至最后一个阳极室模块，所述最后一个阳极室模块具有穿通部，该穿通部形成阳极室到阴极室的穿通部。

30、所述阳极室模块也可以相同地构造，其中，因此之前描述的输出管路对应于最后的阳极室模块的穿通部。此外，串联连接具有如下优点，即可以实现更大面积的阳极材料，从而改善氨的转化。此外，所述模块性具有如下优点，即通过调整阳极室模块的数量可以调整氨到分子氮的转化速率。

31、阳极室模块例如可以包括阳极容器。阳极室模块供选择地也可以是管区段。在后一种情况下，多个阳极室模块可以通过将所述管区段相互连接(例如在使用凸缘的情况下)而依次相继地连接。

32、优选地，串联连接的阳极室模块的阳极处于相同的电位。这例如可以通过阳极的电并联连接来实现。

33、在另一个有利的设计方案中可以规定，在紧邻所述阴极的附近构造有输入管路。由此可以实现，在运行中在利用液体填充的阴极室时将过氧化氢或分子氧立即并且直接送至阴极。优选地，所述输入管路通过阳极室的出口、优选通过阳极室的之前已经提到的出口给出，该出口具有提高的流动阻力。然而，该输入管路也可以直接伸入到阴极室中并且可以直接布置在其中，其在紧邻阴极的附近具有合适的开口。这些设计方案具有如下优点，即能够提高在阴极处的氧可用性。当过氧化氢和/或分子氧不是首先通过扩散到达阴极，而是当它们由于从输入管路流出直接被引导到阴极上时，它们立即并且直接被送至阴极。

34、在根据本发明的设备的另一个有利的进一步改进方案中可以规定，测量传感器布置成，使得在运行中利用该测量传感器可以测量液体的特性。优选地，所述特性为氧浓度、ph值和/或氨浓度。测量传感器原则上可以布置在回路的在运行中被循环液体流经的任意位置上。优选地，测量传感器布置在阴极室中。也可以设置有多个测量传感器。

35、为了能够合成针对该设备的连续运行对环境无害的过氧化氢和/或分子氧，并且为了能够提高氨转化效率，在该设备的另一个有利的设计方案中可以规定，氧产生单元连接到所述回路上，其中，该氧产生单元包括光电池。由此提供一种由根据本发明的用于将氨从含氨的水性液体转化为分子氮的设备和由氧产生单元构成的装置，其中，包括光电池的氧产生单元连接到所述回路上。光电池优选具有带有透光的壁的空心体。特别优选地，光电池在可见光和/或在日光的光谱中是透光的。此外，优选在光电池中许多光敏颗粒悬浮在含水的光电池液体中。优选地，光敏颗粒具有载体元件，材料借助粘附剂粘附在该载体元件上，其中，所述材料包含光活性染料分子。

36、特别优选地，所述材料包含坏死的和分离的秋叶的植物叶聚合物。

37、所述光活性染料分子可以通过相应的光入射被激发。这可能导致电子和质子被转移到相邻分子上。如果相邻分子是分子氧，这可能导致形成过氧化氢。当染料分子结合到腐殖质-粘土矿物复合物中时，可以产生自由基。例如，作为超氧阴离子产生的自由基可能引发质子转移到过渡金属上，例如存在于腐殖质-粘土矿物复合物中的铁或铜，从而可以从腐殖质-粘土矿物复合物中分离分子氧，其随后可被转化为过氧化氢。结果是，因此可以利用光电池产生过氧化氢和溶于水的氧。

38、所述光电池优选在可见光中、特别是在日光的光谱中是敏感的。可以构造有相应的人造光源。供选择地，太阳可被用作光源。

39、优选地，所述光电池结合到光电池液体的自身的氧产生回路中。泵可以布置在氧气产生回路中。该泵可以引起用于使光电池液体在氧产生回路中循环所需的驱动。可以构造有水箱，利用该水箱能够将水输送到氧产生回路中。

40、所述氧产生单元可以具有至含氨液体的回路的输入管路，从而可以将过氧化氢和/或氧引入到该回路中。所述输入管道例如可以连接在开头所述的入口上。

41、所述载体元件优选具有1cm、更优选在100微米至0.5cm之间、特别优选在0.5mm至3mm之间、非常特别优选在1mm至2mm之间的最大直径。

42、该载体元件原则上可以任意地成形，优选是球形。

43、优选地，该载体元件由塑料制成。优选地，该载体元件是微塑料颗粒。微塑料颗粒可以由主要塑料或次要塑料制成。

44、可以规定，粘附剂包括粘液物质。粘液物质优选包含多糖。粘液物质可以是粘液素。粘液物质可以是人、动物或植物粘液。粘液物质也可以是唾液替代产物，例如透明质酸。

45、优选地规定，粘附剂包裹载体元件。

46、所述材料可以包括非活体的、特别是死亡的有机物质。所述材料特别是可以包括腐殖质成分和/或粘土矿物。所述腐殖质成分优选是一种腐殖质。粘土矿物可以与腐殖质形成特别有利的复合物。

47、粘土矿物优选是一种具有小于5微米、优选小于2微米的平均粒度的矿物。

48、腐殖质可以在合适的位置中具有高密度的光活性染料分子。其中腐殖质还具有高分量的木质素和多酚片段和在其中集成的光活性染料分子的层适合于本发明。

49、证明特别有利的是，所述材料具有植物叶聚合物。老化的、特别是在秋季月份九月和十月中重建的(rückgebaute)、分离的和坏死的叶子的植物叶聚合物形成一种特别有利的结构。特别有利地，所述植物科的植物叶聚合物是双子叶被子植物，特别是具有15至50％的纤维素份额、3至50％的半纤维素份额和/或7至10％的木质素份额。阔叶树的坏死叶子的植物叶聚合物可具有高浓度的不同染料分子。

50、包含光活性染料分子的材料例如可以通过分离和/或提供非活体的、特别是死亡的有机物质来获得。优选地，优选由如之前描述的秋叶或叶子提供植物叶聚合物。可以以完全或部分干燥的形式提供植物叶聚合物或含有植物叶聚合物的植物叶材料。特别优选地，在干物质中，其植物染料份额为至少1％和/或其木质素质量分数大于1％，和/或其叶绿素分解产物非荧光叶绿素代谢物(ncc)的质量分数在干物质中占植物叶材料总份额的0.6％至1.2％。

51、优选地，植物叶材料、特别是干燥的和/或粉碎的植物叶材料与粘土矿物混合。优选地，植物叶材料的质量分数在60％与99％之间，粘土矿物的质量分数在1％与20％之间，并且水的质量分数和/或另一种材料的质量分数在0％与20％之间。所述质量分数是指具有100％质量分数的混合物。

52、可以规定，包含光活性染料分子的材料与粘附剂混合。优选地，所述材料具有在80％和99％之间的质量分数，粘附剂具有在1％和10％之间的质量分数。此外，可以以0％至10％之间的质量分数混入水。总体上，之前所述的质量分数分别参考具有100％质量分数的混合物的质量。

53、可以规定，这种材料-粘附剂混合物与载体元件混合。由此，所述载体元件可以被粘附剂包裹。优选地，在混合时这样调节粘附剂的粘度和/或载体元件与材料-粘附剂混合物的体积比，使得包裹物的外表面比被包裹的载体元件的表面大最多10％、优选最多5％。

54、为了解决所述任务，根据本发明设定针对用于转化氨的方法的独立权利要求的特征。特别是，为了解决所述任务，因此根据本发明在用于将氨从含氨的水性液体转化为分子氮的方法中提出，使用一种设备，该设备根据本发明、特别是如之前所述和/或根据针对用于将氨从含氨的水性液体转化为分子氮的设备的权利要求中任一项构造，并且在回路中循环的液体多次被引导通过该设备。液体多次通过该设备能够实现连续地并且受控制地将液体中的氨浓度降低到所期望的浓度。

55、同时，通过该方法可以产生电能。因此，在阳极与阴极之间产生电压，该电压可被用于给负载提供能量或者用于给蓄能器充电。

56、为了使液体能够在该设备中循环，可以规定，将阀打开，穿通部利用该阀能关闭。所述阀例如可以是之前已经提到的阀。

57、可以规定，所述液体具有低的氨初始浓度。

58、在该方法的一个有利的设计方案中可以规定，为了初始化，给阴极室填充液体，并且通过阳极室的输入管路将过氧化氢和/或溶解在水中的氧引入到阳极室中。优选地，一旦在液体中达到初始化氧浓度阈值，就结束初始化。所述氧浓度可以用氧浓度测量传感器来测量。被引入到阳极室中的过氧化氢进入到阴极室中，使得液体中的氧含量增加。由此可以显著提高随后开始的氨向分子氮的转化速率。

59、优选在将含氨液体引入到阳极室中之前进行过氧化氢和/或溶解氧的输入。由此还可以在正常运行之前调节在随后循环的液体中最佳的氧浓度。

60、如果在阳极室中布置有用于催化裂解过氧化氢的催化剂，则可以由少量的液态过氧化氢提供大量的分子氧。由于氧过渡到气相，因此阳极室中的压力上升，并且氧气能够以高的速度速被挤压到阴极室中。所产生的气体流在此可以携带液态的过氧化氢且可说将其挤压到阴极室中。

61、如果阳极室具有之前所述的一个或多个出口，则通过所述出口可以使氧靠近阴极，在那里氧可以根据阴极的设计方案而再循环。在阴极处这样产生的高氧浓度可能导致在随后的正常运行中在几分钟之后已经达到氨的最大转化，其中，在没有相应的初始化的情况下达到最大转化可以持续几小时。

62、优选地规定，为了初始化，关闭阳极室的穿通部上处的阀，例如之前已经提到的阀。由此能够实现可以将氧通过一个或多个构造在阳极室上的出口受控制地被引入到阴极室中。

63、优选地规定，随着初始化结束或结束之后打开阀，并且通过接通泵来激活液体回路，从而将液体经由输入管路引入到阳极室中。

64、在该方法的另一个有利的设计方案中可以规定，将过氧化氢和/或溶解在水中的氧添加给在回路中循环的液体。优选地，测量液体中的氧浓度，并且在低于氧浓度下阈值时进行添加。在此，构造在穿通部处的阀优选保持打开。由此能够实现在液体循环的正常运行中液体中的氧饱和总是足够高，以便实现氨的最佳转化速率。

65、优选地规定，过氧化氢和/或溶解在水中的氧由氧产生单元供应，如其之前所描述的那样。

66、在该方法的另一个设计方案中可以规定，测量铵浓度和/或氨浓度，并且当低于铵浓度下阈值和/或氨浓度下阈值时，从回路中抽取全部液体或其一部分。这优选通过抽取开口进行。

67、可以规定，该设备这样运行，使得液体始终完全被更换。供选择地也可以规定，逐步地或连续地添加还未处理的液体，然后在达到足够低的铵浓度和/或氨浓度之后完全被抽取。

68、完全连续的运行也是可能的，其中液体以恒定的速率被抽取。在理想条件下和/或最优的过程控制下，可以调节循环液体中氨浓度的平衡，其中，通过控制抽取速率可以调节所述浓度。

69、现在借助一些少量实施例更详细地描述本发明，但本发明并不限制于这些少量实施例。本发明的其它发明变型方案和其它实施例通过将单个或多个权利要求的特征彼此相组合和/或与根据本发明的设备的实施例和/或之前所述的变型方案的单个或多个特征相组合得到。