專利名稱：一種深度去除水中微量硝酸鹽的電解技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水體深度凈化及水污染防治技術領域，尤其涉及一種去除水中微量硝 酸鹽的電解技術方法，具體是基于以多層透過性Fe-Si濾層電極和脈沖電源為特征的電解 裝置來實現(xiàn)水中硝酸根的電化學催化還原降解。
背景技術：
近年來，隨著工農業(yè)生產的快速發(fā)展，化肥的大量生產使用，養(yǎng)殖業(yè)的大規(guī)模發(fā) 展，以及工業(yè)廢水和城市污水的大量排放，越來越多的硝酸鹽污染物進入河流、湖泊和地下 水體，對飲水安全和生態(tài)環(huán)境構成威脅。目前，去除污廢水中硝酸鹽的比較經濟常用的方法是生物反硝化法，廢水處理廠 通常采用生物反硝化法處理硝酸鹽，采用生物反硝化法將硝酸鹽濃度降低至30mg/L左右 比較容易，但很難將硝酸鹽濃度降低至10mg/L以下的水平。硝酸鹽濃度在30mg/L左右的 中水，可以無公害排放，但若用作城市景觀用水比較容易引發(fā)水華，需要將硝酸鹽濃度降低 至10mg/L以下的水平，以保證中水資源化利用的安全性。物理脫硝法和化學還原法雖然也 能用于水體中硝酸鹽的去除，但用于污廢水處理的費用較高，不經濟，不實用。電化學還原脫硝法，以電子為還原劑，無須投加催化劑，無二次污染，反應條件溫 和，設備簡單，日益引起人們的廣泛關注。中國專利CN 101774670A提出一種可快速去除水體中超標鹵酸鹽的濾層材料，該 濾層材料是鐵硅碳合金粉體、鎂鋁合金粉體以及顆粒狀活性炭或顆粒狀無煙煤的混合物。 將含過量鹵酸鹽的水體以3 20m/h的流速經過厚度為20 50cm該濾層材料后，水體中 的鹵酸鹽濃度即可被大幅度降低。中國專利CN 1868913提出使用Fe_Si/%"Al粉體材料還原去除水體中微量含氯有機物，將 Fe-Si合金粉體與活齢屬MgrAl合金偶合大幅度提高降解脫氯速率，避免了鐵離子溶出的糖，處理 后水質倉鄉(xiāng)滿足 水質量標準，尤其適用TOT水中微Sit化消毒副產物的去除。這說明Fe-Si粉 {材才料在足夠負的電位下具有很強的催艦原能力，可以嘗協(xié)f其用于水體中硝 的還原去除。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種電化學快速深度去除水體中硝酸根的電解技術方法， 用于深度去除中水中較難用生物法去除的微量硝酸鹽氮，促進中水的資源化利用。本發(fā)明的電解技術方法，利用以多層透過性Fe-Si濾層電極為陰極的電解裝置及 脈沖電源來實現(xiàn)。本發(fā)明所述的電解裝置以透過性Fe-Si濾層電極由鐵硅合金粉體和作為支撐集 流體的網(wǎng)狀電極所組成，其中鐵硅合金粉體具有穩(wěn)定電催化活性、便宜耐蝕、易加工的特 性，其化學組成為Fe 35 90wt%，Si 8 60wt%，C 0. 5 5wt%，粒徑為0. 1 8匪，最 佳為0. 5 4mm ；網(wǎng)狀電極為網(wǎng)狀鈦電極或網(wǎng)狀鈦鍍銥電極或網(wǎng)狀鈦鍍釕電極。將鐵硅合 金粉體放在網(wǎng)狀電極之上構成Fe-Si濾層電極，其厚度可根據(jù)需要調整。
本發(fā)明所述的電解裝置的陽極可以為網(wǎng)狀鈦電極或網(wǎng)狀鈦鍍銥電極或網(wǎng)狀鈦鍍 釕電極。本發(fā)明所述的電解裝置結構如

圖1所示，它由兩層以上的透過性Fe-Si濾層電極 所組成，上層復合電極接電源的正極，下層復合電極接電源的負極。工作運行時水流自下而 上流動，也可以自上而下流動通過，定時進行反沖洗，每層透過性Fe-Si濾層電極的Fe-Si 粉體厚度控制在5 30cm為宜。本發(fā)明所述的電解裝置采用雙電位周期供電方式，其特點是，長時段低電壓微電 流富集，短時段高電壓沖擊電流電解。雙電位周期電解裝置所涉及的電源分為直流電源和 脈沖電源兩種，其中脈沖電源為長時段低電壓與短時段高電壓的疊加，這樣可以最大限度 地降低水的無效電解，提高電化學催化降解效率。脈沖電源周期設計10 30秒可調，其中 高壓短時段為0. 1 1. 0秒可調；低壓-0. 5 1. OV可調，高壓0 10. OV可調；最大沖擊 電流10A。電流密度范圍在1 50mA/cm2。本發(fā)明所述的水體中硝酸鹽電解技術所涉及的反應如下(1)陰極硝酸根或亞硝酸根向氮氣或氨氮的還原轉化N(V+6H++5e-— 1/2N2+3H20N03>2H++2e" — NO2^H2ON(V+4H++3e-— 1/2N2+2H20N03>8H++8e" — ΝΗ4++20Η>Η20(2)陽極生成氧氣H20-2e = 0 . 502+2H+(3)在靠近陽極的偏酸性區(qū)域發(fā)生化學反應NH/+NCV — 1/2N2+2H20相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果1、本發(fā)明采用透過性Fe-Si濾層電極催化還原中水中的微量硝酸鹽氮，具有過濾 降解雙重功能，處理時間短、不需外帶氫源供氫、不需添加其它化學試劑，操作方便，易于反 沖和自動化控制，處理效率高。2、本發(fā)明所提供的脈沖電源可以提高電化學催化降解效率，降低能耗。3、本發(fā)明所涉及的裝置可以幾組單元串接使用，結構簡單、構造優(yōu)化、使用方便， 可實現(xiàn)工業(yè)化。說明書附圖附圖1電化學深度凈水裝置示意圖(內徑為100mm)I-Ti-Ir 陽極或者 Ti-Ru 陽極；2-Fe-Si 濾層電極；3-Ti-Ir支撐電極或者Ti-Ru支撐電極；4-直流電源或脈沖電源；附圖2脈沖電源典型輸出電壓示意圖
具體實施例方式以下以實施例詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明的用途并非僅限定于這些實施例。
在以下實施例中，通過測定水中硝酸鹽在處理前后的濃度變化及產物分布確定 Fe-Si濾層電極在電化學水質凈化裝置中的去除效果。其中，NO3-濃度采用紫外分光光度法 測定，NH4+濃度采用納氏試劑法測定，NO2-濃度采用N-(1-萘基)乙二胺光度法測定，所用 儀器為日本島津UV2550紫外分光光度計。NO3-, NH4+, NO2.濃度均以N元素計。實施例1-4在Ti-Ir支撐電極上面填充一定厚度的Fe-Si濾層材料，陽極為網(wǎng)狀Ti-Ir電極， 距Fe-Si濾層材料上層3cm，把初始濃度為40. 4mg/L的硝酸鹽溶液以20ml/min流量自上而 下循環(huán)通過電解裝置，以lOmA/cm2的電流密度電解去除N03_，2h后降解效果如下表所示。
權利要求
1.一種去除水體中微量硝酸鹽的方法，其特征在于以Fe-Si濾層電極為陰極、以直流 電源或脈沖電源為供電方式，在陰陽兩端施加電流密度范圍在1 50mA/cm2的直流電或 者交流電，將含微量硝酸鹽的溶液自上而下或者自下而上流過電化學凈水裝置進行還原降解。
2.如權利要求1所述的去除水體中微量硝酸鹽的方法，其中Fe-Si濾層電極由鐵硅 合金粉體和作為支撐集流體的網(wǎng)狀電極所組成；鐵硅合金粉體的化學組成為Fe 35 90wt%, Si 8 60wt%，C 0. 5 5wt%，粒徑為0. 1 8mm，最佳為0. 5 4mm ；網(wǎng)狀電極 為金屬鈦、Ti-Ir或Ti-Ru等任意一種材料制成的極板或者網(wǎng)狀電極。
3.如權利要求1所述的去除水體中微量硝酸鹽的方法，其中該方法適合處理的水中含 硝酸鹽氮濃度范圍在2 50mg/L ；水體流速范圍在5 lOOml/min。
4.如權利要求1所述的去除水體中微量硝酸鹽的方法，其中脈沖電源周期設計10 30秒可調，其中高壓短時段為0. 1 1.0秒可調；低壓-0.5 1.0V可調，高壓O 10. OV 可調；最大沖擊電流10A。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可快速去除水體中的微量硝酸鹽的電解技術，特別是利用Fe-Si濾層電極和脈沖電源將含有硝酸鹽的水體以10～100ml/min的流速，經過厚度為5～30cm該濾層材料后，水體中的硝酸鹽濃度即可在2h內達到90％以上。該方法可用于去除水體中的硝酸鹽，特別適合于中水及地下水中的硝酸鹽氮的去除，具有工業(yè)實用性強，工藝操作簡單，效果顯著，使用周期長，價格低廉，無二次污染等優(yōu)點。
文檔編號C02F1/461GK102134115SQ20111011373
公開日2011年7月27日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權日2011年5月4日
發(fā)明者萬平玉, 劉操, 孫艷芝, 朱靜, 李敏, 陳詠梅 申請人:北京化工大學