[发明专利]一种氯自由基介导的电化学过滤系统及其应用

说明书

本发明公开了一种氯自由基介导的电化学过滤系统在降解氨氮废水中的应用。所述电化学过滤系统包括阳极与阴极，其特征在于，所述阳极采用二氧化锡改性的碳纳米管薄膜，阴极采用Pd/Cu改性泡沫镍，阳极、阴极相对一侧的表面各设有一层PTFE基底膜，且阳极的一侧为进水口，阴极的一侧为出水口，出水口处设有Ag/AgCl参比电极；阳极、阴极分别通过一集流体与电源的正极、负极连接。本发明将膜分离技术与电化学氧化技术相结合，利用电氧化产生的氯自由基介导反应将氨氮选择性转化为氮气，并通过连续流方式进行操作以提高系统的传质性能。

技术领域

本发明涉及一种氯自由基介导的连续流电化学过滤系统在降解氨氮废水上的应用，属于水处理技术领域。

背景技术

近年来，水体中氨氮超标排放所造成的环境污染已引起世界各国的广泛关注。水中的氨氮主要来源于生活污水中含氮有机物导致的污染，如焦化废水和合成氨化肥厂废水等，受微生物作用，可分解成亚硝酸盐氮，继续分解，最终成为硝酸盐氮，完成水的自净过程。高浓度的氨氮会消耗溶解氧，加速富营养化过程，对水生生物造成急性毒性。迄今，多种技术已被报道用于水和废水中的氨氮去除，如生物处理、化学沉淀、折点氯化、光催化和光电催化等技术。例如，生物过程可以通过硝化和反硝化将氨氮转化为氮气。然而，这是一个耗时的过程，需要对C/N比率以及其他操作参数进行精确调控。另一种广泛应用的折点氯化方法需消耗了大量的氯气或次氯酸盐，并需进一步的后处理来去除剩余氯。因此，发展高效、快速、经济去除水中的氨氮污染的新技术，也是满足国家水资源安全可持续利用重大需求的有力保障，对缓解日益严峻的环境压力有着重要的现实意义。

近年来，电化学氧化技术作为一种高效环保的技术手段，有望解决氨氮污染的难题。电化学氧化过程可通过活性自由基(如羟基自由基，OH·)或直接电子转移过程来实现有机污染物的氧化降解。Xiao等利用形稳电极(如RuO₂/Ti和IrO₂/Ti)耦合UV辐照实现了氨氮的快速去除。[Cl^-]在UV辐照下会转化生成Cl·，后者可与氨氮结合生成氮气(WaterRes.,2009,43,1432-1440)。基于这一思路，Zhang等利用光催化技术产生的光生空穴与[Cl^-]反应生成Cl·，同样可与氨氮选择性结合生成氮气，在电场作用下的光电催化氧化过程中，可在90min内达到90％的氨氮去除效率(Environ.Sci.Technol.,2018,52,1413-1420)。尽管氨氮去除效率有所提高，但由扩散限制的传质过程仍显著限制了上述过程的规模化应用。此外，上述报道均在传统间歇式反应器内进行，该反应体系显然不适合自动化操作。

传统的电化学反应体系程通常使用两个平行板状电极分别作为阴、阳极，并以flow-by模式运行。由于扩散限制，该体系通常会导致一个相对较大的扩散边界层(通常100μm)。A.Donaghue等的实验研究和理论计算表明，氧化反应只发生在阳极表面(1μm)(Environ.Sci.Technol.,2013,47,12391-12399)。因此，一种有效的解决方案是将膜分离技术与电化学技术相结合，以一种连续流操作方式进行。在这种“活性”膜体系中，对流强化传质可显著增强目标污染物分子向膜表面活性位点的传递过程。例如，Liu和Vecitis的实验结果表明电化学过滤体系的传质速率比传统序批式体系提高了6倍(J.Phys.Chem.C,2012,116,374-383)。这种连续流反应体系的设计还具有可放大和易于控制等特点，有望应用于实际工程领域。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种能将膜分离技术与电化学技术相结合，以一种连续流操作方式进行的电化学过滤系统，其能对流强化传质可显著增强目标污染物分子向膜表面活性位点的传递过程。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氯自由基介导的电化学过滤系统，包括阳极与阴极，其特征在于，所述阳极采用二氧化锡改性的碳纳米管薄膜，阴极采用Pd/Cu改性泡沫镍，阳极、阴极相对一侧的表面各设有一层PTFE基底膜，且阳极的一侧为进水口，阴极的一侧为出水口，出水口处设有Ag/AgCl参比电极；阳极、阴极分别通过一集流体与电源的正极、负极连接。