公布日：2023.11.21
申請日：2023.08.23
分類號：C25B1/27(2021.01)I;C25B1/04(2021.01)I;C25B15/08(2006.01)I;C25B9/60(2021.01)I;C01C1/242(2006.01)I;C05C3/00(2006.01)I
摘要
本發明涉及一種回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置及方法，所述集成裝置包括反應池、廢水槽和吸收液槽，反應池依次包括陽極室、廢水室和氨回收室，陽極室內設有陽極，廢水室與氨回收室由導電疏水陰極膜分隔開，廢水槽通過管道連接廢水室，并在廢水槽和廢水室之間形成廢水循環流動；吸收液槽連接陽極室的進水口，陽極室的出水口連接氨回收室的進水口，氨回收室的出水口連接吸收液槽，吸收液槽內裝有吸收液，吸收液能輸入陽極室并被電解，產生H+，再輸入氨回收室，用于吸收從廢水室傳遞的NH3分子，并在吸收液槽、陽極室和氨回收室之間形成吸收液的循環流動。
權利要求書
1.一種回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，包括反應池、廢水槽和吸收液槽，反應池依次包括陽極室、廢水室和氨回收室，陽極室內設有陽極，廢水室與氨回收室由導電疏水陰極膜分隔開，廢水槽通過管道連接廢水室，并在廢水槽和廢水室之間形成廢水循環流動；吸收液槽連接陽極室的進水口，陽極室的出水口連接氨回收室的進水口，氨回收室的出水口連接吸收液槽，吸收液槽內裝有吸收液，吸收液能輸入陽極室并被電解，產生H+，再輸入氨回收室，用于吸收從廢水室傳遞的NH3分子，并在吸收液槽、陽極室和氨回收室之間形成吸收液的循環流動。
2.根據權利要求1所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述陽極室與廢水室之間設有分隔板，用于將陽極室和廢水室分隔成兩個獨立的腔室，避免氨氮廢水與吸收液混合；陽極室的進水口設在陽極室的底部，陽極室的出水口設在陽極室的頂部。
3.根據權利要求1所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述陽極室內設有陽極，陽極連接反應池的外部電源的正極，外部電源為直流電源。
4.根據權利要求1所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述導電疏水陰極膜豎直設置，導電疏水陰極膜作為反應池的陰極，并連接外部電源的負極；所述導電疏水陰極膜由在疏水膜上負載導電層構成，導電層的材料選自碳氈、碳布、碳纖維、泡沫鎳中的一種。
5.根據權利要求4所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，將導電層通過熱壓方式負載在疏水膜上，形成導電疏水陰極膜。
6.根據權利要求1所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述氨回收室的進水口設在氨回收室的底部，氨回收室的出水口設在氨回收室的頂部；所述廢水室的進水口設在廢水室的底部，廢水室的出水口設在廢水室的頂部；吸收液槽連接陽極室的進水口的管道上設有第一水泵，用于保持吸收液槽、陽極室和氨回收室之間吸收液的循環流動；廢水槽連接廢水室的管道上設有第二水泵和流量計，第二水泵用于保持廢水槽與廢水室之間廢水的循環流動，流量計用于實時監測廢水流量。
7.根據權利要求1所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述集成裝置還包括氫氣回收裝置，氫氣回收裝置包括擾動部、第一三相分離部、吸收池和儲氣部，擾動部設在廢水室內且靠近導電疏水陰極膜，三相分離部設在廢水室的中上部且靠近導電疏水陰極膜，用于分離出廢水室所產的氣體，吸收池設在反應池的外部；第一三相分離部的出氣口連接吸收池的進口，吸收池內裝有水，用于吸收三相分離部分離所得氣體中的氨氣；吸收池的氣體出口連接儲氣部，儲氣部用于儲存分離所得的氫氣；吸收池的液體出口連接廢水室，將氨水返回廢水室。
8.根據權利要求7所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述擾動部包括若干個轉動輪和支架，支架平行于導電疏水陰極膜且靠近導電疏水陰極膜，若干個轉動輪呈陣列均勻安裝在支架上；轉輪包括外側的圓環形的框體和內部的攪拌件，攪拌件的轉軸處于框體的圓心處，攪拌件的若干個葉片沿轉軸的周向均勻布設。
9.根據權利要求8所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，其特征在于，所述轉輪的框體豎直設置，框體的兩個鏤空的側面分別面對導電疏水陰極膜和分隔板；轉軸水平設置；葉片的頭部固定連接轉軸的中部，葉片的尾部指向并靠近框體的內側面，葉片頭部的寬度小于尾部的寬度，葉片呈內窄外寬的形態，葉片的寬度方向平行于轉軸。
10.一種回收廢水中的氨資源并同步產氫的方法，其特征在于，使用權利要求1-9任一項所述的回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，所述方法包括以下步驟：(1)向廢水罐中加入待處理的氨氮廢水，廢水罐向廢水室輸入廢水，在廢水罐和廢水室之間形成廢水循環流動；(2)向吸收液槽內加入吸收液，并向陽極室輸入吸收液，陽極室向氨回收室輸入吸收液，氨回收室的吸收液返回吸收液槽，形成吸收液的循環流動；(3)待反應池、廢水槽和吸收液槽中的氣泡排出后，將陽極和導電疏水陰極膜接通外部電源，導電疏水陰極膜通過原位電解水，產生OH-和氫氣，廢水室內廢水中的NH4+與OH-反應，生成NH3，在氨蒸氣壓差的推動下，NH3透過導電疏水陰極膜進入在氨回收室；氫氣排出廢水室并回收；(4)陽極室的陽極電解水，產生氧氣和H+，氧氣排出陽極室，H+使得吸收液的pH值降低，陽極室的吸收液輸入氨回收室，吸收透過導電疏水陰極膜的氨氣，并形成銨鹽溶解在吸收液中，實現廢水中NH4+的選擇性回收。
發明內容
針對上述問題，本發明提供一種回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置及方法，所述集成裝置將電化學耦合到膜脫氨工藝中，其陽極電解水產生H+，導電疏水膜陰極電解水產生OH-和H2，產生的H2可進行氫資源回收，產生的OH-可將廢水中溶解態的NH4+轉化成氣態的NH3分子，然后透過導電疏水膜進入回收側，由陽極產生的H+循環至氨回收室實現NH3的回收，本發明處理效率高且無需額外投加酸堿藥劑，降低了廢水的處理成本，實現在氨資源化同時回收氫資源。
第一方面，所述回收廢水中的氨資源并同步產氫的集成裝置，包括反應池、廢水槽和吸收液槽，反應池依次包括陽極室、廢水室和氨回收室，陽極室內設有陽極，廢水室與氨回收室由導電疏水陰極膜分隔開，廢水槽通過管道連接廢水室，并在廢水槽和廢水室之間形成廢水循環流動；
吸收液槽連接陽極室的進水口，陽極室的出水口連接氨回收室的進水口，氨回收室的出水口連接吸收液槽，吸收液槽內裝有吸收液，吸收液能輸入陽極室并被電解，產生H+，再輸入氨回收室，用于吸收從廢水室傳遞的NH3分子，并在吸收液槽、陽極室和氨回收室之間形成吸收液的循環流動。
可選的，所述陽極室與廢水室之間設有分隔板，用于將陽極室和廢水室分隔成兩個獨立的腔室，避免氨氮廢水與吸收液混合；
陽極室的進水口設在陽極室的底部，陽極室的出水口設在陽極室的頂部。
可選的，所述陽極室內設有陽極，陽極連接反應池的外部電源的正極，陽極為常規的導電惰性多孔電極材料，例如不銹鋼網、釕鈦網、鈦網，外部電源為直流電源。
可選的，所述導電疏水陰極膜豎直設置，導電疏水陰極膜作為反應池的陰極，并連接外部電源的負極；
所述導電疏水陰極膜由在疏水膜上負載導電層構成，導電層的材料選自碳氈、碳布、碳纖維、泡沫鎳中的一種。疏水膜為常規疏水膜。
將導電層通過熱壓方式負載在疏水膜上，即可形成導電疏水陰極膜。
可選的，所述氨回收室的進水口設在氨回收室的底部，氨回收室的出水口設在氨回收室的頂部；所述廢水室的進水口設在廢水室的底部，廢水室的出水口設在廢水室的頂部；
吸收液槽連接陽極室的進水口的管道上設有第一水泵，用于保持吸收液槽、陽極室和氨回收室之間吸收液的循環流動；廢水槽連接廢水室的管道上設有第二水泵和流量計，第二水泵用于保持廢水槽與廢水室之間廢水的循環流動，流量計用于實時監測廢水流量。
可選的，所述集成裝置還包括氫氣回收裝置，氫氣回收裝置包括擾動部、第一三相分離部、吸收池和儲氣部，擾動部設在廢水室內且靠近導電疏水陰極膜，三相分離部設在廢水室的中上部且靠近導電疏水陰極膜，用于分離出廢水室所產的氣體，吸收池設在反應池的外部；
第一三相分離部的出氣口連接吸收池的進口，吸收池內裝有水，用于吸收三相分離部分離所得氣體中的氨氣；吸收池的氣體出口連接儲氣部，儲氣部用于儲存分離所得的氫氣；吸收池的液體出口連接廢水室，將氨水返回廢水室。
進一步可選的，所述擾動部包括若干個轉動輪和支架，支架平行于導電疏水陰極膜且靠近導電疏水陰極膜，若干個轉動輪呈陣列均勻安裝在支架上；
轉輪包括外側的圓環形的框體和內部的攪拌件，攪拌件的轉軸處于框體的圓心處，攪拌件的若干個葉片沿轉軸的周向均勻布設。
進一步可選的，所述轉輪的框體豎直設置，即框體的兩個鏤空的側面分別面對導電疏水陰極膜和分隔板；轉軸水平設置；
葉片的頭部固定連接轉軸的中部，葉片的尾部指向并靠近框體的內側面，葉片頭部的寬度小于尾部的寬度，即葉片呈內窄外寬的形態，葉片的寬度方向平行于轉軸。
第二方面，所述回收廢水中的氨資源并同步產氫的方法，包括以下步驟：
(1)向廢水罐中加入待處理的氨氮廢水，廢水罐向廢水室輸入廢水，在廢水罐和廢水室之間形成廢水循環流動；
(2)向吸收液槽內加入吸收液，并向陽極室輸入吸收液，陽極室向氨回收室輸入吸收液，氨回收室的吸收液返回吸收液槽，形成吸收液的循環流動；
(3)待反應池、廢水槽和吸收液槽中的氣泡排出后，將陽極和導電疏水陰極膜接通外部電源，導電疏水陰極膜通過原位電解水，產生OH-和氫氣，廢水室內廢水中的NH4+與OH-反應，生成NH3，在氨蒸氣壓差的推動下，NH3透過導電疏水陰極膜進入在氨回收室；氫氣排出廢水室并回收；
(4)陽極室的陽極電解水，產生氧氣和H+，氧氣排出陽極室，H+使得吸收液的pH值降低，陽極室的吸收液輸入氨回收室，吸收透過導電疏水陰極膜的氨氣，并形成銨鹽溶解在吸收液中，實現廢水中NH4+的選擇性回收。
可選的，步驟(2)中，所述吸收液為電解液，具體為酸或鹽的水溶液，酸選自硫酸、磷酸、硝酸中的一種，鹽的選擇較多，例如硫酸鈉、硫酸鉀。當吸收液是硫酸時，氨回收室內產生硫酸銨，可用于制作化肥。
可選的，步驟(3)中，通過調節外部電源的電流密度，以控制電解廢水的反應速率，進而控制產氫速率、廢水室和氨回收室內水體的pH值。優選的，所述電流密度為5-50A/m2。
可選的，步驟(3)中，通過調節所述第二水泵，控制循環廢水的流速，控制廢水脫氮效果。
可選的，步驟(4)中，通過調節所述第一水泵，控制循環吸收液的流速，控制氨氮回收效果。
（發明人：徐莉莉;王軍;鄭澤鵬;李魁嶺;張勇;曹愛新）
