本發明涉及廢水處理和資源回收，具體是一種電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統的應用。

背景技術：

1、磷（p）是所有生物的基本元素，隨著世界人口的日益增加，磷越來越多地用于工業生產，尤其是當下新型半導體黑磷、含磷能源電池等新材料的開發和應用，進一步刺激了急劇增長的磷需求。然而，不可再生的磷資源（如磷礦石）正在枯竭，磷礦已被列為戰略性礦產。與此同時，含磷廢水的排放是導致水體富營養化加劇的重要原因。磷緊缺和磷過剩之間的矛盾直指當下實現對含磷廢水中磷回收的必要性，以解決如今錯綜復雜的磷回收和污染問題。

2、即使已有傳統回收磷的方法，如絮凝法，活性污泥法，吸附法等，然而這些方法處理成本高昂，占地面積大，還會產生大量污泥，難以實現對磷的高效回收。化學沉淀法雖已是當下最成熟的回收磷的方法，但堿等化學藥劑的投加、集中鹽水處理和材料再生等相關性挑戰仍在進行中。由此電化學介導沉淀法（emp）作為一種可持續的替代方案應運而生，這可避免添加試劑和排出濃縮鹽水，減少67-84%的廢物固體。此外，受益于廢水中常見的鈣離子，以磷酸鈣形式回收磷顯示出巨大的潛力。

3、但高能耗和低沉淀效率也是emp當下面臨的一大挑戰。由濃度梯度驅動的陰極附近的離子擴散非常緩慢，與ca2+相比，由于陰極的靜電排斥，陰離子po43-運輸速率降低，陰極附近的局部ca2+/?po43-比過低，無法充分利用電解水產生的oh–，大大限制了磷酸鈣回收的沉淀和能源效率。此外，傳統電化學反應過程中，由于陽極產生了大量氫離子，致使陽極處在酸性環境下，由此提高了陽極的過電位，增加了能量損耗。

4、emp高度依賴于局部高ph環境，但電解水反應中陰極產生的氫氧根離子易與陽極生成的氫離子相結合，難以形成足夠的堿性環境以滿足磷酸鈣的沉淀需求，由此造成不如預期的回收效率，并且在運行過程中易出現ph不穩定，導致沉淀溶解的情況。為此，大多電化學體系會在兩極室間設置離子交換膜，雖提高了陰極室的ph，但膜組件的加入會增加運行能耗。也有相關發明嘗試在系統中填入大量碳酸鈣顆粒，以消耗陽極產生的氫離子，大量的顆粒不僅容易形成堵塞，且需要在后續流程中加入分離工藝，復雜了工藝流程，增加了運行成本。

5、因此，研發一種更低成本且突破離子傳輸限制，提高能量利用效率，同時構建局部高ph的堿性環境以滿足磷酸鈣的沉淀需求，實現磷回收的高效低耗技術有重要的現實意義和實用價值。

技術實現思路

1、本發明旨在解決電化學法在廢水處理中回收磷出現的運行能耗高，能量利用率低，沉淀回收率低的問題。特別是針對現有的emp過程中，離子傳輸效率低以及陰極室ph不穩定導致的磷回收效率降低，運行能耗增加的技術瓶頸，本發明提供了一種可靠的技術方案。

2、為了克服現有技術的局限性，本發明提供一種電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統的應用，將所述的電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統用于回收正磷，回收方法包括以下步驟：

3、步驟ss1，電解液的制備：量取超純水裝入燒杯中，加入0.8~1.2m的硫酸鈉溶液，50~70mm的磷酸氫二鈉溶液，110~130mm的硫酸鈣溶液，攪拌均勻即得電解液，硫酸鈉、磷酸氫二鈉、硫酸鈣和超純水的體積比是2.08~3.12：2.14~3.00：2.31~2.73：241~244；

4、步驟ss2，稱取0.02~0.03g羥基磷灰石加入到步驟ss1制備的電解液中，在260r/min攪拌速度下，攪拌10分鐘；

5、步驟ss3，沉淀系統的搭建：用亞克力材料制作50mm*60mm*100mm的反應器，陽極選擇50mm*100mm的ru/ir網狀電極，陰極選擇50mm*100mm的不銹鋼網狀電極，陰陽極間距控制在10~14mm；

6、步驟ss4，運行反應：溫度為17~23℃，電源調節到恒流模式，電流密度為0.8~1.2ma/cm2，內部回流速度控制在65~75ml/min的條件下，通電運行25~35min；

7、當電流密度升高，正磷回收效率會隨之升高，但在0.8~1.2ma/cm2時出現拐點，電流密度繼續增長，正磷回收效率逐漸趨于平緩，但運行能耗卻大幅攀升，故而，0.8~1.2ma/cm2的電流密度具有最高的性價比。

8、所述電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統是包含了陰極-陽極-陰極的反應器、旁路內回流以及電解液的系統；陰極-陽極-陰極的反應器包括一個陽極室，兩個陰極室，陽極板是ru/ir網狀電極，陰極板是不銹鋼網狀陰極，陰陽極間距是10~14mm；

9、進一步的，電解液包括硫酸鈉溶液、磷酸氫二鈉溶液和硫酸鈣溶液；

10、進一步的，所述硫酸鈉溶液的濃度是0.8~1.2m；所述磷酸氫二鈉溶液的濃度是50~70mm，所述硫酸鈣溶液的濃度是110~130mm；

11、進一步的，電解液中還添加0.02~0.03g的羥基磷灰石。在對羥基磷灰石的投加量進行探究實驗中發現，當投加量低于0.02g時，系統對正磷的回收效果較差，當達到0.02~0.03g，系統可以穩定在高ph環境下，從而實現高效的回收效率。更高的投加量并不能帶來更加明顯的效果，因此，0.02~0.03g為最佳投加量。

12、在運行過程中，陰極產生的氫氧根離子能夠在陰極室不斷累積，形成高ph環境，分布在陰極室的羥基磷灰石起到穩定該高ph環境的作用，為磷酸鈣提供了優越的過飽和環境，助推磷酸鈣的沉淀。同時，雙物理場的協同作用下，提高了離子到電極的傳輸速率，幫助陰離子克服靜電斥力，提高陰極室局部ca2+/po43-比，進一步助推陰極室過飽和環境，由此提升了能源利用效率。雙陰極的設置，緩解了陽極所處的酸性ph環境，降低了陽極的過電位，由此進一步降低了運行過程的能量損耗，增強了系統的能量利用效率。

13、在流速的探究實驗中，在0~75ml/min的回流速度下，顯示流速的提升有助于提高正磷的回收效率，尤其是在65~75ml/min的回流速度下，體現出最佳的回收效果。

14、進一步的，硫酸鈉、磷酸氫二鈉、硫酸鈣和超純水的體積比是2.08~3.12：2.14~3.00：2.31~2.73：241~244，該混合液模擬含磷廢水。

15、進一步的，步驟ss1電解液的制備中，攪拌速度是200~300r/min，攪拌5~10分鐘。

16、較之現有的技術，本發明的電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統的應用具有以下顯著的有益效果：

17、（1）高效低耗的磷回收效果：本發明的電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統能夠在半小時內，實現正磷的高效回收效率（95.88%），并且運行能耗僅有1.75kw·h/kgp，是其他電化學回收磷工藝的0.9%-4.2%。

18、（2）高純度的產品：本發明是以羥基磷灰石（hap）的形式從廢水中回收磷，在整個反應過程中，無額外化學藥劑的添加，僅有hap一種沉淀產物的形成，高純度的hap也提高了本發明的應用價值。

19、（3）創新的概念提出：本發明提出的電場耦合流場強化電化學介導沉淀系統，通過采用雙陰極反應器，耦合電場和流場以增強傳質，降低能耗，并且利用羥基磷灰石進一步穩固陰極形成的高ph環境，為磷酸鈣沉淀提供了優越的過飽和條件，這一回收方法在保證正磷高回收效率的同時，大幅降低了運行能耗。

20、（4）有效的ph穩定方法：本發明通過向電極室投加少量的羥基磷灰石，實現了陰極室高ph環境的穩定，為磷酸鈣沉淀提供了優越的過飽和環境。區別于使用昂貴的離子交換膜，該方法以更便宜的價格，達到了理想的實驗效果。

21、（5）高效的反應器設計：本發明篩選得到陰極-陽極-陰極的雙陰極反應器在電場與流場的耦合作用下的正磷回收效率最高，運行能耗最低，是陽極-陰極（ac）反應體系的23.15%，是陰極-陽極（ca）反應體系的62.27%，大幅降低了運行成本，體現了極大的經濟價值。