专利摘要

专利摘要

公开了一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统及方法，其中所述包括以下步骤：(1)该系统由反应池、镁阳极、导电阴极和加酸设备组成，通过直流电源连接镁阳极和导电阴极，阳极和阴极之间利用反应池中的尿液废水形成回路；(2)镁阳极与阴极之间的距离为5～500mm；(3)镁阳极与阴极的电流密度为0.1～50mA/cm2；(4)电腐蚀过程中，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.5；(5)在钾浓度最低点停止电流输出，终止反应，收获磷酸钾镁沉淀物。本发明利用镁阳极电腐蚀提供镁源，阴极电解提升pH值，可以有效地抑制磷酸钠镁共结晶从而强化磷酸钾镁反应结晶，降低传统磷酸钾镁反应结晶法中镁源、磷源和NaOH的投加量，提高钾的预期回收效率，并降低结晶产物中的钠含量，降低缓释肥施用时的盐碱化风险。

权利要求

1.一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统，其特征在于：

1)该系统由反应池、镁阳极、导电阴极和加酸设备组成，通过直流电源连接镁阳极和导电阴极，阳极和阴极之间利用反应池中的尿液废水形成回路；所述的尿液废水为已全部或大部脱除氨氮的尿液废水；

2)镁阳极与阴极之间的距离为5～500mm；

3)镁阳极与阴极的电流密度为0.1～50mA/cm2；

4)电腐蚀过程中，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.5。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的镁阳极由纯镁或镁合金制成。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的导电阴极由石墨或金属制成。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的加酸设备投加的是含有盐酸、硫酸或磷酸的酸溶液。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的尿液废水中氨氮的摩尔浓度不高于钾的摩尔浓度。

6.应用权利要求1-5任一权利要求所述的系统促进尿液废水中钾回收的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在反应池中加入尿液废水；

2)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度；

3)反应过程中监测溶液pH值变化，通过加酸设备控制溶液pH值；

4)在钾浓度最低点停止电流输出，终止反应，收获磷酸钾镁沉淀物。

说明书

技术领域

本发明属于废水处理、废水中资源回收领域，涉及一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统及方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

我国是一个农业大国，钾资源的匮乏成为我国社会和经济发展中的一个严峻问题。全球钾矿主要集中在少数几个国家，我国所需要的钾肥严重依赖进口，钾进口率长期达70％以上。钾被国土资源部列为国民经济支柱性矿产和重点矿种，更进一步，钾也被中国矿业联合会列为到2020年最严重短缺的9种矿产资源之一。

人类排泄的尿液废水富含钾元素，纯尿液中钾浓度可以达到2g/L，同时尿液中也含有丰富的磷浓度，投加溶解性镁盐通过磷酸钾镁反应结晶法可以实现尿液废水中钾的回收，反应式如下：

Mg2++K++PO43-+6H2O→MgKPO4·6H2O↓(1)

磷酸钾镁晶体是一种优良的复合缓释肥，其中磷肥和钾肥的含量显著优于《钙镁磷钾肥行业标准HG2598-94》一等品的品质标准。估算发现，我国年产尿液废水蕴含着约200万吨钾肥(以K2O计)的潜能，接近我国年钾肥施用量的30％。对于寻找非矿石性钾资源具有重要的意义。

但是，在传统的磷酸钾镁反应结晶法中,需要投加大量的NaOH调节溶液到碱性pH值，这同时会导致磷酸钠镁反应结晶的发生，反应如下：

Mg2++Na++PO43-+7H2O→MgNaPO4·7H2O↓(2)

为实现钾的高效回收，需要同时加入镁源(MgCl2)和磷源(Na2HPO4)并调节pH，当Mg:K:P摩尔比上升至3.3:1:3时，钾回收率才可达90％以上，结晶产物中，磷酸钠镁和磷酸钾镁的物质量比例约为2.2:1。一方面，共结晶降低了钾的预期回收效果，大幅增加了镁源和磷源的投加量，尤其是需要大量磷源，会增大生产成本从而降低方法推广应用的可行性；另一方面，共结晶产物中含有大量的钠，既降低了钾肥含量，直接用作肥料时又容易导致土壤盐碱化。

发明内容

针对传统磷酸钾镁反应结晶法中磷酸钠镁共结晶的问题，本发明提出一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统及方法。

具体技术方案如下：

(1)该系统由反应池、镁阳极、导电阴极和加酸设备组成，通过直流电源连接镁阳极和导电阴极，阳极和阴极之间利用反应池中的尿液废水形成回路；

(2)镁阳极与阴极之间的距离为5～500mm；

(3)镁阳极与阴极的电流密度为0.1～50mA/cm2；

(4)电腐蚀过程中，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.5；

(5)在钾浓度最低点停止电流输出，终止反应，收获磷酸钾镁沉淀物。

本发明所述的尿液废水为已全部或大部脱除氨氮的尿液废水。

本发明所述的镁阳极由纯镁或镁合金等镁金属材料制成。

本发明所述的导电阴极由石墨或金属等导电材料制成。

本发明所述的加酸设备投加的是含有盐酸、硫酸或磷酸等酸溶液。

本发明所述的尿液废水中氨氮的摩尔浓度不高于钾的摩尔浓度。

本发明利用镁阳极电腐蚀提供Mg2+，阴极同时产生OH-，可以有效地抑制磷酸钠镁共结晶从而强化磷酸钾镁反应结晶，降低传统磷酸钾镁反应结晶法中镁源、磷源和NaOH的投加量，提高钾的预期回收效率，并降低结晶产物中的钠含量，降低缓释肥施用时的盐碱化风险。

具体实施方式

下面对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

本发明提供了一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统及方法，具体包括以下步骤：

(1)该系统由反应池、镁阳极、导电阴极和加酸设备组成，通过直流电源连接镁阳极和导电阴极，阳极和阴极之间利用反应池中的尿液废水形成回路；

(2)镁阳极与阴极之间的距离为5～500mm；

(3)镁阳极与阴极的电流密度为0.1～50mA/cm2；

(4)电腐蚀过程中，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.5；

(5)在钾浓度最低点停止电流输出，终止反应，收获磷酸钾镁沉淀物。

在直流电源作用下，以尿液废水为电解质，镁阳极和导电阴极之间形成回路，阳极发生镁腐蚀，产生Mg2+，阴极产生OH-，形成过饱和溶液，诱发磷酸钾镁反应结晶，考虑到通常脱氨尿液废水中磷摩尔浓度低于钾的摩尔浓度，利用加酸设备投加磷酸溶液，在投加磷的同时可以控制pH不高于11.5。与传统磷酸钾镁反应结晶法相比，镁阳极电腐蚀的方法不会引入钠杂质，削弱磷酸钠镁共结晶的能力，强化磷酸钾镁反应结晶，降低镁源和磷源的投加，促进尿液废水中钾资源的回收。

在大量试验研究基础上，镁阳极和导电阴极之间的适宜距离确定为5～500mm，间距过大时，电阻增大，电压增高，能耗较大，间距过小，虽然能耗较低，但是容易导致短路。同时，也通过试验研究确定了适宜的电流密度，电流密度过大，镁腐蚀和pH升高速度较快，不易确定反应结束的时间，不利于钾的回收；电流密度过小，则反应速度过慢，增大了处理成本。尤其是，过程中需要控制pH不高于11.5，高于该pH值，磷酸钾镁反应结晶收到抑制，容易生成氢氧化镁结晶，不利于钾的回收。

本发明中，所述的尿液废水为已全部或大部脱除氨氮的尿液废水。优选地，尿液废水中氨氮的摩尔浓度不高于钾的摩尔浓度。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。

实例1：

(1)该方法由反应池、镁阳极、导电阴极、直流电源组成；反应池尺寸为100×70×210mm；

(2)镁阳极由纯镁板制成，镁含量99％以上，镁阳极尺寸为200×50×10mm；

(3)导电阴极由纯镁板制成，镁含量99％以上，阴极尺寸为200×50×10mm；

(4)在反应池中加入800mL经过脱氨预处理的尿液废水，钾离子的浓度为410mg/L；

(5)加酸设备为滴定管，酸液是1M盐酸溶液；

(6)镁阳极与阴极之间的距离为20mm；

(7)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度为20mA/cm2；

(8)反应过程中监测溶液pH值变化，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.2；

(9)反应进行6min时关闭直流电源，钾的回收率为23％，磷的回收率为69％；磷酸钠镁与磷酸钾镁的物质的量比为0.77。

实例2：

(1)该方法由反应池、镁阳极、导电阴极、直流电源组成；反应池尺寸为100×70×210mm；

(2)镁阳极由纯镁板制成，镁含量99％以上，镁阳极尺寸为200×50×10mm；

(3)导电阴极由纯镁板制成，镁含量99％以上，阴极尺寸为200×50×10mm；

(4)在反应池中加入800mL经过脱氨预处理的尿液废水，钾离子的浓度为410mg/L；

(5)加酸设备为滴定管，酸液是1M盐酸溶液；

(6)镁阳极与阴极之间的距离为30mm；

(7)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度为20mA/cm2；

(8)反应过程中监测溶液pH值变化，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.2；

(9)反应进行9min时关闭直流电源，钾的回收率为25％，磷的回收率为61％；磷酸钠镁与磷酸钾镁的物质的量比为0.44。

实例3：

(1)该方法由反应池、镁阳极、导电阴极、直流电源组成；反应池尺寸为100×70×210mm；

(2)镁阳极由纯镁板制成，镁含量99％以上，镁阳极尺寸为200×50×10mm；

(3)导电阴极由纯镁板制成，镁含量99％以上，阴极尺寸为200×50×10mm；

(4)在反应池中加入800mL经过脱氨预处理的尿液废水，钾离子的浓度为410mg/L；

(5)加酸设备为滴定管，酸液是1M盐酸溶液；

(6)镁阳极与阴极之间的距离为20mm；

(7)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度为5mA/cm2；

(8)反应过程中监测溶液pH值变化，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.2；

(9)反应进行15min时关闭直流电源，钾的回收率为16％，磷的回收率为45％；磷酸钠镁与磷酸钾镁的物质的量比为0.66。

实例4：

(1)该方法由反应池、镁阳极、导电阴极、直流电源组成；反应池尺寸为100×70×210mm；

(2)镁阳极由纯镁板制成，镁含量99％以上，镁阳极尺寸为200×50×10mm；

(3)导电阴极由纯镁板制成，镁含量99％以上，阴极尺寸为200×50×10mm；

(4)在反应池中加入800mL经过脱氨预处理的尿液废水，钾离子的浓度为2050mg/L；

(5)加酸设备为滴定管，酸液是1M盐酸溶液；

(6)镁阳极与阴极之间的距离为20mm；

(7)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度为20mA/cm2；

(8)反应过程中监测溶液pH值变化，通过加酸设备控制溶液pH值不高于11.2；

(9)反应进行15min时关闭直流电源，钾的回收率为23％，磷的回收率为38％；磷酸钠镁与磷酸钾镁的物质的量比为0。

实例5：

(1)该方法由反应池、镁阳极、导电阴极、直流电源组成；反应池尺寸为100×70×210mm；

(2)镁阳极由纯镁板制成，镁含量99％以上，镁阳极尺寸为200×50×10mm；

(3)导电阴极由纯镁板制成，镁含量99％以上，阴极尺寸为200×50×10mm；

(4)在反应池中加入800mL经过脱氨预处理的尿液废水，钾离子的浓度为410mg/L；

(5)加酸设备为滴定管，酸液是1M盐酸溶液；

(6)镁阳极与阴极之间的距离为20mm；

(7)通过直流电源输出，控制镁阳极的电流密度为5mA/cm2；

(8)反应过程中监测溶液pH值变化，在反应进行12min后，通过加酸设备控制溶液pH值在10.8～11.0之间；

(9)反应进行30min时关闭直流电源，钾的回收率为38％，磷的回收率为96％；磷酸钠镁与磷酸钾镁的物质的量比为0.49。

一种镁阳极电腐蚀促进尿液废水中钾回收的系统及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。