[發明專利]一種氯自由基介導的電化學過濾系統及其應用

有效

• 申請號: 201811480288.1
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109534453B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 劉艷彪;梅建成;孫立雯;彭翔;李方;沈忱思;馬春燕
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C02F1/46
• 分類號: C02F1/46;C02F1/467;C02F1/76;C02F1/44;C02F101/16
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明公開了一種氯自由基介導的電化學過濾系統在降解氨氮廢水中的應用。所述電化學過濾系統包括陽極與陰極，其特征在于，所述陽極采用二氧化錫改性的碳納米管薄膜，陰極采用Pd/Cu改性泡沫鎳，陽極、陰極相對一側的表面各設有一層PTFE基底膜，且陽極的一側為進水口，陰極的一側為出水口，出水口處設有Ag/AgCl參比電極；陽極、陰極分別通過一集流體與電源的正極、負極連接。本發明將膜分離技術與電化學氧化技術相結合，利用電氧化產生的氯自由基介導反應將氨氮選擇性轉化為氮氣，并通過連續流方式進行操作以提高系統的傳質性能。

技術領域

本發明涉及一種氯自由基介導的連續流電化學過濾系統在降解氨氮廢水上的應用，屬于水處理技術領域。

背景技術

近年來，水體中氨氮超標排放所造成的環境污染已引起世界各國的廣泛關注。水中的氨氮主要來源于生活污水中含氮有機物導致的污染，如焦化廢水和合成氨化肥廠廢水等，受微生物作用，可分解成亞硝酸鹽氮，繼續分解，最終成為硝酸鹽氮，完成水的自凈過程。高濃度的氨氮會消耗溶解氧，加速富營養化過程，對水生生物造成急性毒性。迄今，多種技術已被報道用于水和廢水中的氨氮去除，如生物處理、化學沉淀、折點氯化、光催化和光電催化等技術。例如，生物過程可以通過硝化和反硝化將氨氮轉化為氮氣。然而，這是一個耗時的過程，需要對C/N比率以及其他操作參數進行精確調控。另一種廣泛應用的折點氯化方法需消耗了大量的氯氣或次氯酸鹽，并需進一步的后處理來去除剩余氯。因此，發展高效、快速、經濟去除水中的氨氮污染的新技術，也是滿足國家水資源安全可持續利用重大需求的有力保障，對緩解日益嚴峻的環境壓力有著重要的現實意義。

近年來，電化學氧化技術作為一種高效環保的技術手段，有望解決氨氮污染的難題。電化學氧化過程可通過活性自由基(如羥基自由基，OH·)或直接電子轉移過程來實現有機污染物的氧化降解。Xiao等利用形穩電極(如RuO₂/Ti和IrO₂/Ti)耦合UV輻照實現了氨氮的快速去除。[Cl^-]在UV輻照下會轉化生成Cl·，后者可與氨氮結合生成氮氣(WaterRes.,2009,43,1432-1440)?；谶@一思路，Zhang等利用光催化技術產生的光生空穴與[Cl^-]反應生成Cl·，同樣可與氨氮選擇性結合生成氮氣，在電場作用下的光電催化氧化過程中，可在90min內達到90％的氨氮去除效率(Environ.Sci.Technol.,2018,52,1413-1420)。盡管氨氮去除效率有所提高，但由擴散限制的傳質過程仍顯著限制了上述過程的規模化應用。此外，上述報道均在傳統間歇式反應器內進行，該反應體系顯然不適合自動化操作。

傳統的電化學反應體系程通常使用兩個平行板狀電極分別作為陰、陽極，并以flow-by模式運行。由于擴散限制，該體系通常會導致一個相對較大的擴散邊界層(通常100μm)。A.Donaghue等的實驗研究和理論計算表明，氧化反應只發生在陽極表面(1μm)(Environ.Sci.Technol.,2013,47,12391-12399)。因此，一種有效的解決方案是將膜分離技術與電化學技術相結合，以一種連續流操作方式進行。在這種“活性”膜體系中，對流強化傳質可顯著增強目標污染物分子向膜表面活性位點的傳遞過程。例如，Liu和Vecitis的實驗結果表明電化學過濾體系的傳質速率比傳統序批式體系提高了6倍(J.Phys.Chem.C,2012,116,374-383)。這種連續流反應體系的設計還具有可放大和易于控制等特點，有望應用于實際工程領域。

發明內容

本發明所要解決的問題是：提供一種能將膜分離技術與電化學技術相結合，以一種連續流操作方式進行的電化學過濾系統，其能對流強化傳質可顯著增強目標污染物分子向膜表面活性位點的傳遞過程。

為了解決上述問題，本發明提供了一種氯自由基介導的電化學過濾系統，包括陽極與陰極，其特征在于，所述陽極采用二氧化錫改性的碳納米管薄膜，陰極采用Pd/Cu改性泡沫鎳，陽極、陰極相對一側的表面各設有一層PTFE基底膜，且陽極的一側為進水口，陰極的一側為出水口，出水口處設有Ag/AgCl參比電極；陽極、陰極分別通過一集流體與電源的正極、負極連接。