三维电极法去除水体中氨氮及硝态氮过程中电解与吸附耦合作用的机理研究

The removal of nitrogen from wastewater is detrimental for the release of eutrophication of natural water bodies. Electrolytic ammonia and nitrate removal attracts much attention due to its fast removal rate, low effluent concentration and easy automatic control. However, there is still two key problems to be solved before large application. One problem is the generation of hazardous materials in the side reaction, which can cause secondary pollution. And the other problem is the high energy cost as well as economic cost. Therefore in the amelioration of the process, selectivity of the final product and reduction of the cost become the key problems to the large application. The author proved that the electrolytic removal of ammonia was mainly due to the indirect oxidation of active chlorine in the previous research by using two dimension electrode. And thus the evolution of oxygen in the anode increase the energy cost, which further indicated that suitable anode was beneficial for the process. The electrolytic removal of nitrate would generate different products under different experimental conditions. Based on those results, this research will analyze the coupling electrolysis and adsorption mechanism of electrolytic ammonia and nitrate removal by using three dimensional electrode, and moreover the effect of different catalytic materials on the particle electrode will be evaluated. The results will have a better control of the final products as well as cost, which will further lead to the large application of the whole process.

各类废水中营养元素氮的去除对于减轻相关自然水体的富营养化有着重要意义。电化学法除氨氮及硝态氮以其速度快、出水浓度低、易于自动化控制等特点而获得广泛关注。但是目前该技术还存在两个关键问题，一是副反应生成了某些有害副产物造成了二次污染，二是电能消耗大而造成工艺成本较高。因此在工艺优化过程中，产物的定向选择以及能耗的控制成为制约电化学法大规模应用的关键问题。申请者前期二维电极电解的研究结果表明电化学除氨氮过程主要是通过电解产生活性氯的间接氧化作用，阳极上的析氧副反应增加了电能消耗，因此选择合适的阳极有利于氨氮的去除。电化学除硝态氮过程则根据实验条件不同会还原生成不同的产物。本项目将在前期研究基础上进一步研究三维电极对于氨氮及硝态氮去除的电解和吸附耦合作用机理，并研究粒子电极负载不同催化剂对于工艺过程的影响。这对于控制氨氮及硝态氮电解产物及能耗将发挥至关重要作用，并将进一步推动该工艺过程实用化。

利用循环伏安法系统的研究了氨氮在铂、钌电极表面的直接氧化过程，发现了碱性条件无氯体系中氨氮在电极表面的直接氧化峰。含氯体系中电化学除氨氮主要通过电极直接氧化、•OH间接氧化、活性氯间接氧化三种机理，其中活性氯与氨氮反应速率较快，为电化学除氨氮主要去除过程。利用线性伏安扫描法研究了硝酸盐在铜等电极表面的还原情况，确定峰电流后由Randles-Savcik方程计算了转移电子数，并利用恒电位电解法验证了不同电位的还原产物，发现硝酸盐首先还原为亚硝酸盐，随后在较高电势下还原为氮气，较低电势下还原为氨氮的反应机制。.本研究在连续流和间歇流两种模式下研究了填充粒子对电化学除氨氮的影响，结果表明沸石与活性炭两类填料均可以有效加快氨氮去除速率，并阐明了填充粒子提高氨氮在反应器中的停留时间，增大氨氮与活性物种接触几率，从而提高氨氮去除率的作用机制。在氨氮去除过程中，吸附过程可以快速截留进水中氨氮，使氨氮在电化学反应器中停留时间大于水力停留时间；电化学过程可以去除水中氨氮并同时再生吸附剂，使吸附剂始终处于不饱和的快速吸附状态。极性填充粒子（沸石）比非极性填充粒子（活性炭）有更好的氨氮亲和性，有利于强化电化学除氨氮过程。.在对硝酸盐还原过程与还原产物的研究基础之上，本研究利用活性炭-泡沫铜填充三维电极去除水中硝酸盐，实验结果表明该三维电极有更大的比表面积和更多的活性位点，可以有效增强硝酸盐的还原效率，在不同条件下硝酸盐还原速率分别为二维电极的4-6倍。电解体系中加入氯离子降低了硝酸盐去除速率与产物中氨氮浓度，增强了氮气的选择性。在本研究的温度、流速范围内，泡沫铜-活性炭填充三维电极反应器的传质系数高于普通二维电极反应器，高传质效率有利于增强污染物的电化学氧化还原过程。项目研究结果为阐明三维电极强化去除污染物过程提供了理论支撑。