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电化学法处理含氨废气工艺研究及工程实践

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：张占业

[导读] 摘要：本文以含氨废气处理工程为研究对象，综合考虑投资成本、运行成本和处理效果，选择无二次污染，运行成本比较低的电化学法处理含氨废气。

        无锡市林信环保工程有限公司
        摘要：本文以含氨废气处理工程为研究对象，综合考虑投资成本、运行成本和处理效果，选择无二次污染，运行成本比较低的电化学法处理含氨废气。通过一系列的实验及实践运行，可以得出该工艺可以满足环保部门对该废气处理的环保要求，且运行成本较低，处理效果较稳定。在含氨废气浓度（以NH3计）为22～53mg/m3时，系统污染物去除率可以达到80%以上，吸收废液可以实现循环利用，运行成本较低。
        关键词：含氨废气；吸收；电化学；降解；循环；工程实践
        1背景概述
        氨是《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）中八种恶臭污染物之一[1]，含氨恶臭气体会对生态环境造成严重危害[2]。
        氨气极易被水吸收[3]，常温20℃条件下，氨气在水中溶解度为34.4%[4] [5]。含氨废气净化工艺研究比较多，主要有物理法、化学法和生物法三种[6] [7]。物理法、化学法工艺简单，但是其产生二次污染物。生物法处理能力大，但占地面积大 [2]。
        电化学法去除氨氮的工艺简单，在一定的操作条件下对氨氮降解可以高效且快速[8]。阳极材料极板产生的Cl•、HO•、•O•、Cl2、HClO等强氧化性物质将水中的氨氮物质氧化转化为氮气。电化学反应降解氨氮的机理如下式（1）-（4）所示[13]。

        本文以无锡某煤矿机械公司在工件表面渗氮生产过程中产生的含氨废气为处理对象，研究电化学法处理含氨废气的工艺可行性和实际工艺设备的运行效果。
        2仪器设备及实验方法
        仪器设备：分析天平（德国赛多利斯分析天平）；搅拌机（普通）；UV-759s型紫外可见分光光度计；直流低压大电流电源，单组最大电流输出为100A（北京中子辉智能有限公司）；Ru-Ti电极板（北京道淼科技发展有限公司）。
        试剂：实验所用化学试剂均为分析纯。
        废气及水质分析测定：氨气（空气）、氨氮（水质）、pH值等均按国家标准方法分析[9] [10]。
        3废气污染物浓度
        产生的含氨废气排放采用集气罩和引风机强制通风措施，经现场采样检测，其废气风量和污染物浓度如下表1所示。
        表1废气风量和污染物浓度

        4实验及数据分析
        4.1 电解过程对pH的影响实验
        供试液配置方法如下。
        a：有氨水：取5L自来水，向其中滴加10滴分析纯氨水（氨含量25%-28%）、再加入0.30g分析纯的氯化钠，配置成模拟氨气水吸收液，水质如下表2所示。
        b：无氨水：取5L自来水，向其中滴加分析纯氢氧化钠配置的溶液（NaOH浓度约5%）调节pH值与有氨水的pH值相当，再加入0.30g分析纯的氯化钠，配置成无氨气水测试液，水质如下表2所示。
        操作过程：参照图1所示的实验过程，记录pH计的数据，并分别采样化验氨氮浓度。电解槽电压6.0V，电流1.8A，极板反应有效面积400cm2。实验过程中，不断的进行搅拌，保证电解槽内废水浓度均匀，同时采用流动冷水水浴尽量保证电解过程中的温度稳定。
        实验测得的电解过程中有氨水和无氨水的pH变化过程如图2所示。

        图1实验示意图                                图2电解脱氮过程对pH的影响实验数据
        由图2中的数据可知，模拟氨气水吸收液在电解过程中pH值随电解的进行先下降，下降至最低值后重新上升，而无氨水的电解过程是随电解的进行，pH一直在缓慢的升高。因此，可以根据本实验获得的变化趋势，采用pH控制器来控制实际工程中电解的进行程度，以实现电解过程自动控制，节约电费。
        实验过程中对有氨水的电解测试数据如图3所示。

        图3 电解过程中氨氮浓度和pH变化趋势
        由图3的数据可知，随着电解的进行，氨氮浓度基本呈一条斜率、一定的直线下降，pH值也随电解过程和氨氮的降解逐步降低，当氨氮降解至接近完全时，pH值降至最低，随后pH又开始升高，由电化学反应机理可推测，在氨氮降解过程中，主要发生的费用如前面所述的电化学反应式（2），反应过程中有氢离子生成，因此，pH下降。当氨氮降解完全后，应该在阳极主要发生下式所述（5）式的反应，反应生成ClO-，其中，ClO-水解呈碱性，因此，pH值上升。
         （5）
        5废气处理工艺流程设计
        综合考虑试验数据和分析，本废气宜选用如图5所示的工艺流程。

        图5工艺流程设计
        5.1工艺流程及主要设计参数简要说明
        1吸收氨气进入水中：含氨气废气进入水喷淋吸收塔中，进行逆流吸收操作，则在一定操作条件下，废气中的大部分氨气进入水中。
        2将吸收氨气的废水进行电化学法降解：将吸收了氨气的废水循环至电化学反应器，废液中吸收的氨气被彻底降解。
        3清水回用：经过电化学降解后的吸收水进行重新利用。
        4通过冷却塔对循环利用水进行降温处理，防止由于循环利用而导致水温升高。
        5氯的析出与否：一级析出的电流效率是水中氨氮降解的主要条件，由文献资料[11][12]可知，氯的析出电位根据不同电极材料而有所不同，但大都在1.20-2.01V之间。另外，根据电化学法拉第（Faraday）电解定律，氯在电极上析出的速率跟电流的大小成正比 [13]，因此，理论上讲，只要电压超过析出电压即可以电解产生所需的物质，电解产率与电压高低无关，若电压过高，则造成电源浪费。本工艺方案选择电压控制为3.0V。
        如上述循环操作，废气中的氨气不断被吸收、废液中的氨不断被电化学反应器降解净化、清水不断回用，废气最终得到净化处理。
        5.2主要工艺参数
        本工程主要设计参数如表4所示。
        表4 主要工艺参数

        6运行数据统计分析
        本废气处理工程于2017年5月安装，在2017年7月1日建成并开始调试，于7月20日调试完成。调试及运行过程中，进行多次监测分析，监测数据详见表5。
        表5 主要运行期数据统计

        由表4中的数据可知，在控制吸收液pH值9.5--9.8范围内，本废气处理工程的废气排放可以满足设计要求，且运行稳定。
        7主要结论
        通过实验及数据分析确定工艺可行，对系统运行期间数据监测结果表明，电化学法处理含氨废气工艺是确实可行的。主要结论如下：
        1在含氨废气浓度为22～53mg/m3时，系统对含氨废气污染物去除率可以达到80%以上。
        2含氨废气吸收废液可以经过电化学法降解系统将氨氮降解后循环利用，并通过pH控制电化学法降解氨氮的进程。
        3本工艺运行成本低，每1000m3废气处理成本低至约1.62元，二次污染仅为微量残渣液，为类似废气处理提供了成功的参考，有利于含氨废气的排放控制。
        参考文献：
        [1]恶臭污染物排放标准（GB14554-93）
        [2]杨松波.生物过滤法净化及回收含氨废气研究[D].郑州：郑州大学，2010.
        [3]薛金全.含氨废气吸收塔的工艺设计[J].精细化工原料及中间体，2005，（1）：10-12.
        [4]刘清华，彭志群，刘发安.小议含氨废气的吸收及其工艺比较[J].化学工程与装备，2011，（7）：204-206.
        [5]刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册-无机卷[M].北京：化学工业出版社，2002.
        [6]马放，冯玉杰，任南琪.环境生物技术[M].北京：化学工业出版社，2003.
        [7]曾向东，林大泉.石油化工废气处理技术现状及发展动向[J].石油化工环境保护，2002，25（3）：40-43.
        [8]曾次元，李亮，赵心越等.电化学氧化法除氨氮的影响因素[J].复旦学报（自然科学版），2006，45（3）：348-352.
        [9]国家环境保护总局空气和废气监测分析方法编委会．空气和废气监测分析方法（第四版）[M]．北京：中国环境科学出版社，2003.
        [10]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会．水和废水监测分析方法（第四版）[M]．北京：中国环境科学出版社，2002.
        [11]耿广威.析氯析氧催化电极的制备及其性能研究[D].郑州：郑州大学，2013.
        [12]朱元保，沈子琛，张传福等.电化学数据手册[M].长沙：湖南科学技术出版社，1985.
        [13]陈金銮，施汉昌，徐丽丽.pH值对氨氮电化学氧化产物与氧化途径的影响[J].环境科学，2008，29（8）：2276-2281.