一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法

本发明涉及资源回收，特别涉及一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法。

背景技术：

1、氨（nh3）是一种由一个氮原子与三个氢原子组成的无机化合物，是各种商业和家用产品的重要化学成分，包括化肥、制冷剂、稳定剂和净化剂等。值得注意的是，氨最近被提议作为一种替代燃料，为可再生资源提供一个合适的存储平台。然而，氨生产的主要工业过程（haber-bosh工艺）是能源密集型的，该工艺会消耗大量化石能源，造成二氧化碳排放，加剧温室效应。近年来，人们对开发利用废氨资源的兴趣越来越大，这也避免了传统的氨生产的能源需求。学界与工业界的研究表明人类尿液中含有高浓度的氮，占城市污水中氨负荷的75-80%，对尿液进行源分离，并从源分离尿液中回收氨是废弃氮元素资源化的一种有效方法，从而以减少全球氨生产所需的能源消耗。因此，寻找合适的绿色替代方案，在温和条件下实现高效、低能耗、低排放、可持续的氨生产，是亟待解决的科学挑战。

2、相比于传统氨氮回收方法如鸟粪石沉淀法、气提法等，电化学技术具有操作简单、可控性强、经济适用、反应条件温和等优势。近年来，电化学分离在氨回收领域越来越受欢迎，它可以通过原位电化学反应将nh4+直接转化为nh3(g)，同时结合界面焦耳加热来提高氨的提取和回收，有望实现氨氮的高效回收。

3、然而，现有的电化学氨回收技术皆采用恒流充电模式，通过电解水在阴极产生oh-，产生高ph值，将铵离子(nh4+)转化为nh3(g)。然而，碱化后的尿液可能会不断被阴极析氢反应产生的氢气泡吹脱，导致电化学系统中氨损失超过30%。

4、因此，开发一种更加有效的氨氮回收方法具有重要意义和应用前景，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法，旨在解决传统电化学反应器回收氨氮所面临的回收率较低的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，包括n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，所述阳极液流通室和阴极液流通室依次堆叠，n为大于等于2的整数；

4、位于最左侧的阳极液流通室的两侧由左侧端板和阴离子交换膜密封，内部设置有阳极导流板以及设置在阳极导流板上的多孔阳极；位于中间的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜和阴离子交换膜密封，内部设置有阳极导流板以及设置在阳极导流板上的多孔阳极；位于最右侧的阳极液流通室的两侧由疏水性气膜和右侧端板密封，内部设置有阳极导流板；

5、所述阴极液流通室的两侧由阴离子交换膜和疏水性气膜密封，内部设置有阴极导流板以及设置在阴极导流板上的多孔阴极；

6、所述左侧端板的上端和下端分别设置有阳极液进液口和阴极液进液口，所述右侧端板的下端和上端分别设置有阳极液出液口和阴极液出液口，阳极液从所述阳极液进液口进入阳极液流通室循环流通，最后从阳极液出液口流出，阴极液从所述阴极液进液口进入阴极液流通室单侧流动，最后从阴极液出液口流出；

7、所述多孔阳极通过第一外接金属导线与加载脉冲电场的外部直流电源正极连接，所述多孔阴极通过第二外接金属导线与加载脉冲电场的外部直流电源负极连接。

8、所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述阳极导流板、阴离子交换膜、阴极导流板以及疏水性气膜之间均设置有硅胶垫片。

9、所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述多孔阳极为钌铱多孔金属网、钌钽多孔金属网、铱钽多孔金属网中的任意一种，多孔阳极的编织密度为30-300目；所述多孔阴极为碳布、多孔金属网和多孔泡沫金属中的任意一种，多孔阴极的编织密度为30-300目。

10、所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其中，所述疏水性气膜的材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的任意一种。

11、一种基于加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其中，包括步骤：

12、将待处理的阴极液从阴极液进液口输入，将阳极液从阳极液进液口输入，所述阴极液和阳极液在各自的流道内独立流动，互不混合；

13、控制外部直流电源输出脉冲电流，使得阴极液通过阴极液流通室的过程中，nh4+在多孔阴极通电时生成oh-的碱性环境下转化为nh3(g)，然后nh3(g)通过疏水性气膜扩散到阳极液流通室，通过多孔阳极通电时产生的h+吸收扩散到阳极液流通室的nh3(g)，最后使得氨氮以铵盐的形式被回收。

14、所述的氨回收方法，其中，所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为20−7000 mg/l。

15、所述的氨回收方法，其中，所述阳极液为自来水或为自来水中添加0-1 m的硫酸、盐酸、硝酸、碳酸和磷酸中的任意一种。

16、所述的氨回收方法，其中，所述外部直流电源提供的电流密度为10-100 a m-2，所述外部直流电源输出的脉冲电流占空比为0.33-1.00，脉冲电流的脉冲宽度为10min-60min。

17、所述的氨回收方法，其中，所述阳极液在阳极液流通室内的停留时间为10-60min。

18、所述的氨回收方法，其中，所述阴极液在阴极液流通室内的停留时间为20-120min。

19、有益效果：本发明提供的堆栈式电化学氨回收装置，通过将设置有多孔阳极的阳极导流板、阴离子交换膜、设置有多孔阴极的阴极导流板、疏水性气膜的重复堆叠和组装，构建n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，实现污水中资源的定向转化与分馏提纯，同步达到污水处理再生与资源化的目的。本发明基于堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，脉冲电场被用于调节和改变电解反应过程中电极的行为，特别是对电流涡旋的发展和ph的演变产生影响，通过合理设置脉冲电流的脉冲占空比和时间，削弱由于阴极析氢反应产生的大量氢气对氨气的吹扫作用，避免造成氨的流失和二次环境污染；同时可保证氨氮的去除率>99%，回收率>98%，极大的提高电化学回收氨的高效性和经济性，促进电化学资源回收领域的发展。

技术特征：

1.一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其特征在于，包括n+1个阳极液流通室和n个阴极液流通室，所述阳极液流通室和阴极液流通室依次堆叠，n为大于等于2的整数；

2.根据权利要求1所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其特征在于，所述阳极导流板、阴离子交换膜、阴极导流板以及疏水性气膜之间均设置有硅胶垫片。

3.根据权利要求1所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其特征在于，所述多孔阳极为钌铱多孔金属网、钌钽多孔金属网、铱钽多孔金属网中的任意一种，多孔阳极的编织密度为30-300目；所述多孔阴极为碳布、多孔金属网和多孔泡沫金属中的任意一种，多孔阴极的编织密度为30-300目。

4.根据权利要求1所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置，其特征在于，所述疏水性气膜的材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的任意一种。

5.一种基于权利要求1-4任一所述加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置的氨回收方法，其特征在于，包括步骤：

6.根据权利要求5所述的氨回收方法，其特征在于，所述阴极液为人类尿液，所述尿液的氨氮浓度为20−7000 mg/l。

7.根据权利要求5所述的氨回收方法，其特征在于，所述阳极液为自来水或为自来水中添加0-1 m的硫酸、盐酸、硝酸、碳酸和磷酸中的任意一种。

8.根据权利要求5所述的氨回收方法，其特征在于，所述外部直流电源提供的电流密度为10-100 a m-2，所述外部直流电源输出的脉冲电流占空比为0.33-1.00，脉冲电流的脉冲宽度为10min-60min。

9.根据权利要求5所述的氨回收方法，其特征在于，所述阳极液在阳极液流通室内的停留时间为10-60min。

10.根据权利要求5所述的氨回收方法，其特征在于，所述阴极液在阴极液流通室内的停留时间为20-120min。

技术总结
本发明涉及资源回收技术领域，具体为一种加载脉冲电场的堆栈式电化学氨回收装置及方法，其中，堆栈式电化学氨回收装置包括阳极液流通室和阴极液流通室，阳极液流通室两侧由阴离子交换膜和疏水性气膜密封，内部放置设置有多孔阳极和导流衬网的阳极导流板，阴极液流通室由疏水性气膜另一侧和阴离子交换膜密封，内部放置设置有多孔阴极和导流衬网的阴极导流板；该装置利用交替式排列的阳极液流通室和阴极液流通室实现污水处理再生与资源化的目的，同时，本发明利用脉冲电场调控溶液的酸碱度，削弱由于多孔阴极析氢反应产生的氢气泡对氨气的吹扫作用，减少氨的流失和二次环境污染，为优化电化学回收氨氮领域的技术发展提供了有利指引。

技术研发人员：马金星,何佳洲,周杰钦,杨奎,陶冶文,祖道远,吴浩天
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14