一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构

本发明属于高氯盐水体脱氮，尤其涉及一种用于将海水中无机氮转化为氮气的电解池结构。

背景技术：

1、海水循环水产养殖中，饲料中的氮最终以无机氮(硝酸盐为主)的形式存在于水体中并经由水循环不断累积。无机氮在养殖海水中过量积累会直接危害养殖动物的健康，而直接排放会对海洋生态系统和人们生活生产造成威胁，例如诱发藻华。

2、传统生物反硝化法可以去除硝酸盐，但需要消耗大量外源电子供体(碳源或零价铁)、且深度去除氮需要较长的水力停留时间，导致药剂成本高、占地面积较大且产生大量污泥，不利于大规模推广；离子交换法、反渗透法等物理方法易操作，但需要二次处理浓缩液，且难以实现海水中无机氮的单独分离；化学还原法则涉及氢气等危险化学品的使用。

3、近年来，利用电催化技术实现无机氮(尤其是硝酸盐)去除越来越受到人们的关注，海水中丰富的盐分亦可为电催化提供良好的电解质条件。虽然已经发展了能直接将硝酸盐还原为氮气的催化剂，但其动力学过于缓慢，经常需要十几个小时(environ.sci.technol.2022,56,614-623)甚至超过二十个小时的处理时间(appl.catal.b:environ.2023,320,121983)，耗时耗能。另一种策略是利用阴极还原硝酸盐和亚硝酸盐为氨，再耦合阳极氯氧化过程，可以实现四个小时内的高效脱氮(j.hazard.mater.2020,401,123232)。但是目前的研究主要是在硫酸盐电解质条件下添加一定量的氯盐而实现的。氯盐的添加量一般在200mg/l至2000mg/l的范围里，过量的氯盐会降低硝酸盐去除效率，导致脱氮效果变差(j.mater.chem.a 2020,8,15853-15863)。专利cn111186884 a涉及到一种流通式电化学还原含盐水中硝酸盐为氮气的装置，其中使用的整体多通道阴极的厚度、长度或体积大于对电极。通过在整体多通道阴极电极腔体内填充不导电材料来调节整体多通道阴极的体积及其超过对电极厚度、长度或体积的程度，多余的氯气经由出气口排入大气。这种调节方法无法避免产生氯气要排入大气，处理后水体中也会残留大量活性氯，影响出水水质。而且，通过设置电极组串联的形式适应污染物种类。而这种串联将使得前一极组阳极室产生的活性氯流入下一极组的阴极室，抑制其阴极的催化活性，导致装置的脱氮效果降低。此外，整体多通道阴极的结构设计复杂，实现难度较高，对于实际大规模推广应用不利。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构。通过阳极几何面积及其大于阴极几何面积比例的调控，实现按需供给活性氯；通过单向流动水体实现阴、阳极反应的时空分离，提高无机氮的去除效率。在简单多孔阴、阳级结构条件下即可实现同时获得高无机氮去除率和可控的活性氯含量，保证出水水质。

2、本发明的技术方案：

3、一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构，包括多孔催化阴极、腔室、多孔催化阳极和进出水口；

4、所述的多孔催化阴极为具有多孔结构，位于进水口和腔室之间；

5、所述的多孔催化阳极为具有多孔结构，位于出水口和腔室之间；

6、所述的多孔催化阳极的几何工作面积大于所述的多孔催化阴极。

7、所述的多孔催化阴极为网状或泡沫状金属、碳毡、碳纸、碳布中的一种，其表面有能催化硝酸盐和亚硝酸盐还原为氨的材料。

8、所述的多孔催化阴极上催化材料的结构是纳米片、纳米线、纳米针、纳米管、纳米球、纳米多面体中的一种或几种的组合。

9、所述的多孔催化阴极上的催化材料修饰到多孔催化阴极上的方式为涂覆、退火、水热、电沉积中的一种或几种的组合。

10、所述的多孔催化阳极为网状或泡沫结构的钛及钛合金中的一种或几种的组合，其表面有能催化氯氧化或氨氧化的材料。

11、通过调整所述的多孔催化阳极的几何面积及其大于多孔催化阴极面积的比例，可以按照海水中无机氮含量实现脱氮所需要的余氯量，按需产生活性氯，在实现脱氮的同时调控出水中的余氯含量。

12、所述电解池能将海水中的硝酸盐、亚硝酸盐和氨中的一种或几种的混合物转化为氮气。

13、含无机氮的高氯盐水由进水口流经多孔催化阴极，然后流经腔室与多孔催化阳极接触，最后从出水口离开电解池。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：通过阳极几何面积及其大于阴极几何面积比例的调控，实现出水水质中活性氯含量的调控，适用于不同应用的复杂需求，如海水养殖循环尾水的处理要求出水中活性氯含量尽可能低，而近海水脱氮处理要求出水中活性氯含量较高可抑制藻华；通过单向流动水体实现阴、阳极反应的时空分离，提高无机氮的去除效率。在简单多孔阴、阳级结构条件下即可实现同时实现高氯盐水体脱氮和出水活性氯含量可控，适合大规模推广应用。

技术特征：

1.一种同时实现高氯盐水体脱氮和出水活性氯含量可控的电解池，其特征在于，包括阴极、阴极腔室、阳极、阳极腔室；含无机氮的高氯盐水由进水口流经多孔催化阴极，然后流经腔室与多孔催化阳极接触，最后从出水口离开电解池；

2.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述阴极为网状或泡沫状金属、碳毡、碳纸、碳布中的一种。

3.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述阴极上催化材料的结构是纳米片、纳米线、纳米针、纳米管、纳米球、纳米多面体中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述阴极上的催化材料修饰到多孔催化阴极上的方式为涂覆、退火、水热、电沉积中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于，所述阳极为网状或泡沫结构的钛及钛合金中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构，其特征在于，所述的阳极与阴极的几何面积比为13:1。

7.根据权利要求1所述的一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构，其特征在于，所述的阳极与阴极的几何面积比为8:1。

8.根据权利要求1所述的一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构，其特征在于，所述的阳极与阴极的几何面积比为2:1。

9.权利要求1-8任一项所述的电解池在将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的应用。

10.一种同时实现高氯盐水体脱氮和出水活性氯含量可控的海水脱氮处理方法，其特征在于：使用权利要求1-8任一项所述的电解池。

技术总结本发明公布了一种用于将高氯盐水体中无机氮转化为氮气的电解池结构，包括阴极、阴极腔室、阳极、阳极腔室；含无机氮的高氯盐水先流经多孔催化阴极，后流经腔室与多孔催化阳极接触。所述阴极具有多孔结构，位于进水口和腔室之间，其表面有能催化硝酸盐和亚硝酸盐还原为氨的材料，所述阳极具有多孔结构，位于出水口和腔室之间，表面有能催化氯氧化或氨氧化的材料。本发明在简单多孔阴、阳级结构条件下可实现同时获得高无机氮去除率和可控的活性氯含量，保证出水水质。技术研发人员：谢佳芳,李丁,赵全保,郑煜铭,俞汉青受保护的技术使用者：中国科学院城市环境研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/18