[發明專利]一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置及方法

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• 申請號: 202210625057.5
• 申請日: 2022-06-02
• 公開（公告）號: CN114875423A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 周明華;付文洋;杜盈盈
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C25B1/01
• 分類號: C25B1/01;C25B1/27;C25B1/50;C01C1/26;C25B9/17;C25B11/031;C25B11/077;C25B11/061;C25D3/12;C25D5/50;C02F9/04;B01D53/78;B01D53/62;C02F101/16
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本發明涉及廢水廢氣資源化利用技術，具體涉及一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置及方法。本發明提出的裝置包括氧化鈷/泡沫銅陰極、形穩性陽極、二氧化碳曝氣管、氣體電子流量計、陰極室、陽極室、直流電源、加液取液口。該裝置生產碳酸氫銨的產率最高為34.2mg cm^?2h^?1；本發明提出的方法涉及往硝酸鹽廢水中通入CO₂，促進氧化鈷/泡沫銅陰極電化學還原硝酸鹽合成氨，其產氨選擇性比不通CO₂要高出38.2％。該方法不僅同時降低了廢氣中CO₂的排放和去除了廢水中的硝酸鹽污染物，保護了環境，還以碳酸氫銨的形式儲藏了CO₂和氨氮作為原材料，方便后續合成其他經濟產物，實現對廢氣廢水的資源化利用。

技術領域

本發明涉及廢水廢氣資源化利用技術領域，更具體地，涉及一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置及方法。

背景技術

由于人類生產生活需要大量的含氮物質，導致大量廢水中都含有硝酸鹽污染物，例如核工業廢水、化工廢水、印染廢水等。所以，需要開發一些高效、穩定的技術來去除廢水中的硝酸鹽污染物。與傳統處理方法相比，電化學還原技術具有操作簡單、環境友好、成本低廉等特點，可以將硝酸鹽轉化為具有經濟價值的產物氨氮。但是，電化學還原硝酸鹽反應的性能卻受溶液pH的影響比較大。在pH值偏小的條件下更容易產生氨氮，而在pH偏大的條件下則產生羥胺。而且，電化學還原硝酸鹽是個消耗質子的過程，所以隨著反應的進行，溶液的pH值會越來越大，這不利于反應的持續進行，會導致性能下降。此外，研發性能好的電極材料也是發展電化學還原硝酸鹽技術的難點。目前的研究發現貴金屬的性能比較優異，例如鈀和釕。但是貴金屬價格昂貴，很難實際應用。因此，使用非貴金屬材料作為陰極，才有應用前景。因為價格便宜，催化效果較好，非金屬材料中Cu和Co研究的比較多，所以研究制備含Cu、Co元素的電極材料對發展電化學還原硝酸鹽技術有幫助，這樣才能保證該技術能高效、低成本的修復廢水中硝酸鹽造成的環境污染。

與此同時，工業生產產生的很多廢氣中也大量存在二氧化碳(CO₂)排放問題。例如冶金，火力發電和工業制氫等。在國家“雙碳”戰略背景下，必須要對CO₂進行處理，要大幅降低其排放量。而且，CO₂也是一種有用的資源，可以用作冷藏劑、制備碳酸飲料以及滅火等。所以，將CO₂當做一種資源來回收利用，能降低其處理成本。另外，CO₂是酸性氣體，能被電化學還原硝酸鹽技術產生的氨氮和堿性溶液吸收,發生酸堿中和反應，穩定溶液pH值，促進電化學還原硝酸鹽反應，還能生成碳酸氫銨。所以，如果能設計相應的反應裝置同步實現硝酸鹽的還原和CO₂的吸收，制備碳酸氫銨來儲備CO₂和氨氮，需要使用時，再通過簡單加熱將二氧化碳和氨氮釋放出來，作為原料來合成其他經濟產物，就能實現對硝酸鹽和二氧化碳的資源化處理，同時解決了排放含有CO₂廢氣和含有硝酸鹽廢水造成的環境污染問題。

綜上所述，針對上述的問題，本發明提出了一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置及方法。

發明內容

本發明的目的就是解決現有技術存在的問題，提供了一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置及方法，避免了直接排放CO₂廢氣和硝酸鹽廢水導致的環境污染問題，還能變廢為寶，以碳酸氫銨的形式將CO₂和氨氮儲存起來，用于合成其他具有經濟價值的產品，同時也解決目前工業生產中CO₂的排放和硝酸鹽污染物的去除問題。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

本發明提供了一種利用二氧化碳廢氣和硝酸鹽廢水制備碳酸氫銨的裝置，包括氧化鈷/泡沫銅陰極(1)、形穩性陽極(2)、氣體電子流量計(3)、直流電源(4)、陽極室(5)、陰極室(6)，二氧化碳曝氣管(7)，加液取液口(8)