一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统技术方案

本发明专利技术涉及电池技术及硝酸盐废液处理和合成氨领域，特别是涉及一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，所述电池系统包括电池阳极、电池阴极及电解质，所述电池阳极为活泼金属材料，所述电池阴极为以负载硝酸盐还原催化剂材料的电极，所述电解质为含硝酸盐的废水，所述电池系统发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨。本发明专利技术提供一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，实现废物资源化利用，产生经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统
本专利技术涉及电池技术及硝酸盐废液处理和合成氨领域，特别是涉及一种将酸盐废水转化为氨的电池系统。
技术介绍
在工业生产过程中，大多数行业都会直接或间接产生硝酸盐，常规除硝酸盐主要有反渗透法，电渗析法，离子交换法，催化脱氮法，化学脱氮法和生物脱氮法。而通过电化学方法，在催化作用下，将硝酸还原转化为氨，不仅能够除去硝酸，并且还能够生成有价值的氨，产生经济效益。金属-水电池以水还原析氢反应代替传统的金属-溶解氧电池的阴极氧还原反应，不仅能够发电，同时还可以有效制备氢气，实现氢电一体化。科学家们先后专利技术了锂-水制氢电池(Adv.Energy.Mater，2016，1601390)，锌-水制氢电池(Angew.Chem.2018，130，3974–3979)和铝-水制氢电池(ChemelectroChem，2020，7.2582-2591)，但是氢气还主要存在存储和运输困难的问题，氢气必须冷却到低于-253℃才能液化，这意味着已消耗了氢气燃料三分之一的能量，储存的容器更需要特殊的隔热降温设施，成本高昂，危险性大，因此，电解合成方便储存和运输的物质更具有实际应用价值；相对而言氨气加一点压力就可以在-10℃时液化，能量损失不多，还很安全，便于储存和运输，并且液态氨的体积能量密度几乎是液态氢的2倍，相同体积的容器可以储存更多能量。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，实现废物资源化利用，产生经济效益。本专利技术采用如下技术方案：一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，所述电池系统包括电池阳极、电池阴极及电解质，所述电池阳极为活泼金属材料，所述电池阴极为以负载硝酸盐还原催化剂材料的电极，所述电解质为含硝酸盐的废水，所述电池系统发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨。对上述技术方案的进一步改进为，所述电池阳极的反应为金属失去电子，所述电池阴极的反应为硝酸盐被催化剂还原生成氨。对上述技术方案的进一步改进为，所述电池阳极为金属，所述金属为镁、铝、锌、锡、铁、锂中的一种。对上述技术方案的进一步改进为，所述电池阳极为金属合金，所述金属合金为镁合金、铝合金、锌合金、锡合金、铁合金、锂合金中的一种。对上述技术方案的进一步改进为，所述镁合金为包含铝、锌、锰中的至少一种的镁合金；所述铝合金为包含镁、锌、锰中的至少一种的铝合金。对上述技术方案的进一步改进为，所述锌合金为包含镁、铝、铜中的至少一种的锌合金；所述锡合金为包含锂、镁、铝、铁中的至少一种的锡合金。对上述技术方案的进一步改进为，所述铁合金为包含铝、钙中的至少一种的铁合金；所述锂合金为包含铝、镁、硼中的至少一种的锂合金。对上述技术方案的进一步改进为，所述电池阴极为镍基催化剂、钌基催化剂、铜基催化剂、单金属催化剂、多元金属催化剂或其氧化物、硼化物、磷化物、硫化物中的一种或多种。对上述技术方案的进一步改进为，所述含硝酸盐的废水为强碱性，pH>11。对上述技术方案的进一步改进为，所述电池阳极与电池阴极采用隔膜隔开，所述隔膜包括双极膜、质子膜、玻璃砂芯中的一种。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用活泼金属如镁、铝、锌、锂及其合金为电池负极，以镍基催化剂、钌基催化剂或铜基催化剂为正极，含硝酸盐的废水作为电解质，电池发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨；本专利技术的电池系统发的电可以连接蓄电池储存起来，或者连入电网；正极催化还原硝酸盐生成的氨气可通过蒸发-冷凝法收集作为化工原料或者氨燃料电池燃料，负极生成的为纳米级氢氧化镁可以作为优良的阻燃剂原料，实现废物资源化利用，产生经济效益。附图说明图1为本专利技术的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的结构示意图；图2为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的锌-硝酸盐电池性能测试-CV图；图3为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的锌-硝酸盐电池性能测试-不同恒电流放电测试性能图；图4为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的镁-硝酸盐电池性能测试-CV图；图5为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的铝-硝酸盐电池性能测试-CV图；图6为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的镁合金-硝酸盐电池性能测试-CV图；图7为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的锌-硝酸盐电池性能测试-CV图；图8为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的锌-硝酸盐恒电流10mAcm-2放电性能测试性能图；图9为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的锌-硝酸盐恒电流10mAcm-2放电合成氨产量和电流转化效率图；图10为图1的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统的铝-硝酸盐电池性能测试-CV图。具体实施方式下面将结合本专利技术的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1至图10所示，一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，所述电池系统包括电池阳极、电池阴极及电解质，所述电池阳极为金属或金属合金中的一种，所述电池阴极为以负载硝酸盐还原催化剂材料的电极，所述电解质为含硝酸盐的废水，所述电池系统发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨。如图1所示，为本专利技术的结构示意图，其中1-电池阴极；2-电池阳极；3-电池电解液；4-隔膜；5-氨气出气口。具体的，所述电池阳极的反应为金属失去电子(A-e-→A+)，所述电池阴极的反应为硝酸盐被催化剂还原生成氨(NO3-+8e-+6H2O→NH3+9OH-)。具体的，所述电池阳极为金属，所述金属为镁、铝、锌、锡、铁、锂中的一种。具体的，所述电池阳极为金属合金，所述金属合金为镁合金、铝合金、锌合金、锡合金、铁合金、锂合金中的一种。具体的，所述镁合金为包含铝、锌、锰中的至少一种的镁合金；所述铝合金为包含镁、锌、锰中的至少一种的铝合金；所述锌合金为包含镁、铝、铜中的至少一种的锌合金；所述锡合金为包含锂、镁、铝、铁中的至少一种的锡合金；所述铁合金为包含铝、钙中的至少一种的铁合金；所述锂合金为包含铝、镁、硼中的至少一种的锂合金。优选的，电池阳极金属采用镁、铝、锌或金属合金采用铝合金、锌合金，上述阳极材料具有更高的稳定性和更高的电极电势。具体的，所述电池阴极为镍基催化剂、钌基催化剂、铜基催化剂、单金属催化剂、多元金属催化剂或其氧化物、硼化物、磷化物、硫化物中的一种或多种。优选的，阴极采用镍基催化剂、钌基催化剂，上述催化剂具有更高的合成氨电流转化效率。具体的，所述含硝酸盐的废水为强碱性，pH>11，有利于转化的氨易于逸出收集。优选的，含硝酸盐的废水的pH≥13，更有利于氨的逸出，便于收集。具体的，所述电池阳极与电池阴极采用隔膜隔开，所述隔膜包括双极膜、质子膜、玻璃砂芯中的一种，其目的在于避免或延缓阴极生成的氨扩散到阳极，在阳极上又重新被氧化。实施例一：电池阳极采用锌箔，电池阴极采用泡沫铜负载Cu基纳米颗粒催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，所述电池系统包括电池阳极、电池阴极及电解质，其特征在于，所述电池阳极为活泼金属材料，所述电池阴极为以负载硝酸盐还原催化剂材料的电极，所述电解质为含硝酸盐的废水，所述电池系统发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨。/n

【技术特征摘要】
1.一种将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，所述电池系统包括电池阳极、电池阴极及电解质，其特征在于，所述电池阳极为活泼金属材料，所述电池阴极为以负载硝酸盐还原催化剂材料的电极，所述电解质为含硝酸盐的废水，所述电池系统发电的同时将废水中的硝酸盐转化为氨。


2.根据权利要求1所述的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，其特征在于，所述电池阳极的反应为金属失去电子，所述电池阴极的反应为硝酸盐被催化剂还原生成氨。


3.根据权利要求1所述的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，其特征在于，所述电池阳极为金属，所述金属为镁、铝、锌、锡、铁、锂中的一种。


4.根据权利要求1所述的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，其特征在于，所述电池阳极为金属合金，所述金属合金为镁合金、铝合金、锌合金、锡合金、铁合金、锂合金中的一种。


5.根据权利要求4所述的将硝酸盐废水转化为氨的电池系统，其特征在于，所述镁合金为包含铝、锌、锰中的至少一种的镁合金；所述铝合金为包含镁、锌、锰中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周凤玲，赵远云，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44