一种并联透过式堆叠电解槽装置及其在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用

本发明属于电催化，具体涉及一种并联透过式堆叠电解槽装置及其在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用。

背景技术：

1、过度施肥以及工业废水和人类排泄物的不断增加，使得全球硝酸盐(no3-)浓度随之显著增加并对环境造成了不良的级联效应。目前，工业上对废水中硝酸盐主要处理方法包括生物法、离子交换以及膜分离等，但这些方法往往具有反应条件苛刻、反应速率慢、设备成本高等缺点，且传统的研究中主要是将硝酸盐转化成氮气，排放到空气中。

2、与以上几种技术相比，电化学还原因其绿色、高效、条件温和及易于自动化控制等优点近年来受到广泛关注，电催化水体中硝酸根污染物还原合成氨，是一种变废为宝的有效策略。虽然目前报道的硝酸根还原合成氨催化剂所取得的性能可以使得该技术达到工业应用级别，然而，目前硝酸根还原技术仍停留在实验室阶段。大规模的工业化应用仍然受限于目前现有的反应装置和缺乏原位回收nh3的集成式装置。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种并联透过式堆叠电解槽装置，该电解槽装置主要由阴极板、阳极板和疏水透气隔膜组装成的多个阴极室和阳极室堆叠在一起构成，该电解槽装置成本低廉，装置模块化，易于实现工业化应用。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明的第一个目的是提供一种并联透过式堆叠电解槽装置，包括槽体，槽体的内部交替间隔安装有多个阳极板和阴极板，相邻的阳极板和阴极板之间通过疏水透气隔膜隔开；所有的阳极板并联，并与电源正极连接；所有的阴极板并联，并与电源负极连接；疏水透气隔膜将槽体内分隔成多个阴极室和阳极室，阳极板位于阳极室内，阴极板位于阴极室内；槽体的顶部开设有若干个氧气出气口；槽体的底部开设有若干个电解液入口，位于阴极室底部的电解液入口通过阴极管道连通，位于阳极室底部的电解液入口通过阳极管道连通。

4、作为优选的技术方案，阳极板为钌铱涂层钛板或钛板；阴极板为金属板，金属板的材质为ni、fe、co、cu或zn；槽体为不锈钢材质；疏水透气隔膜为聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜中的至少一种，这些膜可以单独使用，也可搭配使用，在这里可以隔离阴极室和阳极室的溶液，同时可以传输nh3气体。

5、本发明的第二个目的是提供如上述第一个目的所述的并联透过式堆叠电解槽装置在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用，包括以下步骤：

6、将含有no3-的电解液通过阴极管道输送至阴极室中，将含有so42-的中性或酸性电解液通过阳极管道输送至阳极室中。然后接通电源进行电解反应，电解反应中阴极和阳极发生的反应如下：

7、阴极反应：no3-+6h2o+8e-→nh3+9oh-

8、阳极反应：2h2o+4e-→o2+4h+nh3+h+→nh4+

9、反应过程中阴极板产生的nh3会在疏水透气隔膜上自发扩散到阳极板，与阳极板产生的h+结合形成nh4+，实现了原位nh3到nh4+的相转移和固定为(nh4)2so4；阳极产生的氧气通过氧气出气口排出至电解槽外。

10、进一步方案，电源为直流电源，电解反应中如果电流太小，硝酸根还原的转化率较低，达不到有效转化。如果电流过高，会促进电解水产氢反应，抑制硝酸根还原反应，降低反应效率，同时增加能耗，因为本方案控制电流为0.25-5a。

11、进一步方案，所述含有no3-的电解液为na2so4溶液、koh溶液、naoh溶液、盐酸溶液或h2so4溶液中的至少一种。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、(1)本发明提供的并联透过式堆叠电解槽装置结构紧凑、成本低廉，装置模块化，并联透过式堆叠的设计能够加强电催化反应中no3-的传质，有利于促进no3-正向还原到nh3。紧凑的两电极构型避免膜污染和降低内阻，进而降低能耗。

14、(2)本发明利用阴极和阳极界面的强碱性和强酸性环境而形成的ph差，通过合理构建的疏水透气膜，实现了nh3到nh4+的相转移过程和固定为(nh4)2so4的过程，避免了酸碱危险化学品和额外能量的输入。

15、(3)本发明提供的并联透过式堆叠电解槽装置是一种可实现连续还原no3-和原位回收nh3的集成式装置，适用于工业电化学还原硝酸根合成氨。

技术特征：

1.一种并联透过式堆叠电解槽装置，其特征在于：包括槽体，所述槽体的内部交替间隔安装有多个阳极板和阴极板，相邻的阳极板和阴极板之间通过疏水透气隔膜隔开；所有的阳极板并联，并与电源正极连接；所有的阴极板并联，并与电源负极连接；疏水透气隔膜将槽体内分隔成多个阴极室和阳极室；所述槽体的顶部开设有若干个氧气出气口；所述槽体的底部开设有若干个电解液入口，位于阴极室底部的电解液入口通过阴极管道连通，位于阳极室底部的电解液入口通过阳极管道连通。

2.根据权利要求1所述的并联透过式堆叠电解槽装置，其特征在于：所述阳极板为钛板或钌铱涂层钛板。

3.根据权利要求1所述的并联透过式堆叠电解槽装置，其特征在于：所述阴极板为金属板；所述金属板的材质为ni、fe、co、cu或zn。

4.根据权利要求1至3任一项所述的并联透过式堆叠电解槽装置，其特征在于：所述疏水透气隔膜为聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的并联透过式堆叠电解槽装置，其特征在于：所述槽体为不锈钢材质。

6.如权利要求1至5任一项所述的并联透过式堆叠电解槽装置在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的并联透过式堆叠电解槽装置在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用，其特征在于：所述电源为直流电源，其电流为0.25-5a。

8.根据权利要求6所述的并联透过式堆叠电解槽装置在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用，其特征在于：所述含有no3-的电解液为na2so4溶液、koh溶液、naoh溶液、盐酸溶液或h2so4溶液中的至少一种。

技术总结本发明公开了一种并联透过式堆叠电解槽装置及其在电催化硝酸根还原合成氨和同步回收氨中的应用，该电解槽装置包括槽体，槽体的内部交替间隔安装有多个阳极板和阴极板，相邻的阳极板和阴极板之间通过疏水透气隔膜隔开；疏水透气隔膜将槽体内分隔成多个阴极室和阳极室。本发明提供的并联透过式堆叠电解槽装置结构紧凑、成本低廉，装置模块化，紧凑的两电极构型避免膜污染和降低内阻，进而降低能耗。本发明利用阴极和阳极界面的强碱性和强酸性环境而形成的pH差，通过合理构建的疏水透气膜，实现了NH<subgt;3</subgt;到NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;的相转移过程和固定为(NH<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;SO<subgt;4</subgt;的过程，避免了酸碱危险化学品和额外能量的输入。技术研发人员：张海民,李文怡,张圣波,金梦,丁峻受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/4/17