[发明专利]氨氮回收设备和方法

说明书

本发明涉及使用流式电极电容去离子性进行氨氮回收。实施方案扩展到纤维气膜和平板气膜的使用、用于阳极和阴极流动材料的公共存储器的使用。限定了具体电流密度、水力停留时间、流动材料的碳含量和工作pH。

技术领域

公开了用于回收氨氮的工艺和相应的设备。

背景技术

世界人口的快速增长和人类生活水平的提高导致粮食生产需求快速增加，而这种生产在很大程度上依赖于利用富含氮(N)和磷(P)的肥料来维持土壤肥力，从而增加农作物的产量。氨是生产常用氮肥(如尿素、硝酸铵和硫酸铵等)的关键原料。目前，合成氨的主要方式是哈伯-博施 (Haber-Bosch)工艺，该工艺能耗高（每年占全球总能耗的1.5-2.5％），并向大气中释放大量温室气体如二氧化碳。

当前，由氨氮等营养物造成的水体污染日益严重，尤其是新兴发展中国家（如中国和印度）。过量氨氮输入可导致严重的水体富营养化、对水生生物具有急性和慢性毒性、诱发饮用水消毒过程中产生副产物。因此，从废水中去除氨氮是非常有必要的。

目前，有多种方法可用于从废水中去除氨，包括硝化/反硝化、空气吹脱、折点加氯和电化学氧化。但是，这些技术都有其自身的局限性，包括高能耗、低效率或产生二次污染等。

此外，也可考虑从废水中浓缩并回收氨氮，作为化肥生产的原料。沸石吸附法是利用离子交换原理从废水中去除铵离子，随后利用浓盐水溶液再生沸石，获得高浓度的氨溶液；另一种氨预浓缩的方法是膜分离技术，如反渗透(RO)或纳滤(NF)等。但是，这些技术要么需要大量化学药品用于再生，要么高能耗很高。

流式电极电容去离子(FCDI)已经用于海水淡化、苦咸水淡化和资源回收领域。

发明内容

实施方案扩展到用于回收水溶液中氨氮的工艺，该工艺包括以下步骤：

提供电容去离子器，其具有阴极电极、阳极电极和溶液流经的溶液通道，该溶液通道位于阴极电极和阳极电极之间，阴极电极包括阴极材料，阳极电极包括阳极材料，该去离子器包括介于溶液通道和阴极电极之间的阳离子交换膜以及介于溶液通道和阳极电极之间的阴离子交换膜；

当水溶液流过溶液通道，在阳极电极和阴极电极之间提供电势差，从而通过阳离子交换膜从溶液中除去溶解的离子态氨氮，并将溶解的离子态氨氮吸附在阴极电极材料中；和

从阴极电极材料中除去溶解的氨氮。

通过使阴极材料中溶解态氨氮转化为气态氨并通过透气膜的扩散，可以从阴极电极材料中除去溶解的氨氮。溶解的离子态氨可以与气态氨处于平衡状态。

电容去离子器可以是流式电极电容去离子器，然后阳极电极和阴极电极可以包括阴极材料和阳极材料流经的相应的流动通道。

该工艺可以包括用膜接触器除去溶解态游离氨氮的进一步步骤。替代地或另外，可以通过脱气除去溶解的氨氮。

膜接触器可包括由接触器膜分隔的第一导管和第二导管，该工艺包括允许阴极材料在第一导管中流动，酸液在第二导管中流动，使得氨氮通过膜接触器从阴极材料中被除去并被酸液吸收形成铵盐。

该酸液可以是硫酸。可替代地，该酸液可以是磷酸或硝酸。

可以设置通过电容去离子器的溶液通道的流速，使得溶液通道的水力停留时间长于1分钟。可以设置流速，以使水力停留时间长于1.4分钟。

溶液通道的水力停留时间可能少于5分钟。优选地，溶液通道的水力停留时间少于3分钟。

当在阴极中时，阴极材料的pH可以为至少9.25。

当在阴极中时，阴极材料的pH可以小于12。阴极材料的pH可以是阴极材料在阴极电极的流动通道中时的pH。