一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法技术

一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，步骤如下：1、取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；2、采用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极为阴极，采用Ti/Pt电极为阳极，阴极和阳极极板间距5～20mm；3、将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～300分钟，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；本发明专利技术使用RuO2+IrO2网状电极作为辅助电极制作的Ti纳米电极，在一个电化学反应槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置。

【技术实现步骤摘要】
一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法
本专利技术属于水中硝酸盐处理
，具体地是涉及一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法。
技术介绍
近年来，随着人口的增长和社会经济的进步，水中硝酸盐的污染日趋严重。在欧洲的一些地区，30年前硝酸盐的污染就已达到比较严重的水平，而且还在继续增长。目前，我国大部分地区的地下水已不同程度的受到硝酸盐污染，个别地区其浓度甚至超过100mg-N/L。摄入过多的硝酸盐对人体健康有很多危害，如将人体内正常血红蛋白转化为不具备氧气运输能力的高铁血红蛋白，引起高铁血红蛋白症，严重时可导致死亡；在硝酸盐转化过程中产生的亚硝酸胺等具有致癌、致畸和致突变作用，可诱发各种肿瘤疾病。世界卫生组织(WHO)《饮用水水质标准》和我国《生活饮用水卫生标准》都规定硝酸盐氮最高限值为10mg/L。目前去除水中硝酸盐的方法主要有物理法、生物法和化学法等。物理法只是将硝酸盐从水中转移到其它介质中或变成浓缩液，并没有从根本上去除硝酸盐，转移后的浓缩液，若处理不当，会对环境造成二次污染。生物反硝化法是通过微生物作用将硝酸盐转化为氮气，是目前实际应用最为广泛的一种硝酸盐去除方法。但其所需反应器体积庞大、建设费用高，且处理周期一般较长，易受环境因素如温度、pH值、污染物浓度和溶解氧浓度等条件的影响。化学还原法主要是催化还原法，可有效地将大部分硝酸盐氮转化为氮气，但是反应所需氢气性质活泼、价格昂贵，不便于存储运输，且催化还原法所需要的操作条件(pH值、水质、传质效率等)难以控制，使得该方法在实际应用中受到诸多限制。与之相比，电化学法利用电子作为洁净的氧化还原反应参与物，直接或间接地进行化学物质间的转换，将硝酸盐氮还原成对环境友好的氮气，去除率高、效果稳定、处理费用低、易控制受到越来越多学者的关注。关于电化学法还原硝酸盐的研究已经有许多文献报道过，还有使用不同阴阳极组合运用电化学法去除饮用水源中硝酸盐的方法的专利；金属改性活性炭纤维电极和用该电极去除硝酸盐的方法的专利，但是都未能解决电化学还原硝酸盐过程中产生的亚硝酸盐和氨等副产物问题，从而限制了其实用化。关于纳米电极的制作已经有许多研究，而在纳米电极的制作过程中，还未发现使用贵金属RuO2作为辅助电极即阴极来制作纳米电极的研究，关于用此方法制作的纳米电极去除水中硝酸盐的研究目前也还未有报道。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用RuO2+IrO2网状电极作为辅助电极制作的Ti纳米电极，在一个电化学反应槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极，在一个电解槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，具体包括如下步骤：步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；步骤2：采用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极为阴极，采用Ti/Pt电极为阳极，阴极和阳极极板间距5～20mm；步骤3：将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～300分钟，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：阴极反应：NO3-+H2O+2e-＝NO2-+2OH-(1)NO3-+3H2O+5e-＝1/2N2+6OH-(2)NO2-+5H2O+6e-＝NH3+7OH-(3)2NO2-+4H2O+6e-＝N2+8OH-(4)2H2O+2e-＝H2+2OH-(副反应)(5)所述以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极的制作方法如下：(1)用100～180目的砂纸打磨Ti极板；(2)将打磨好的Ti极板，用去离子水超声清洗20～40分钟；(3)将超声清洗后的Ti极板吹干待用；(4)采用恒压阳极氧化法处理电极，阳极氧化采用的电源为直流稳压电源；具体为：采用RuO2+IrO2网状电极为辅助电极即阴极，采用步骤3吹干后的Ti极板为工作电极即阳极，以含质量百分比为0.01～0.30％的NH4F的水溶液作电解液，在设定的氧化电压10～60V条件下，氧化30～180分钟；在阳极的表面会形成微观纳米管结构，其电极表面纳米管形成的原理是：1)在电场的作用下，阳极表面附近的水电离产生O2-，同时钛快速溶解，产生大量Ti4+，与O2-迅速反应，在Ti极板表面形成致密的氧化钛阻挡层，主要发生以下反应：H2O→2H++O2-(1)Ti-4e→Ti4+(2)Ti4++2O2-→TiO2(3)2)电解质溶液中的F-在电场的作用下，迁移至阳极附近，与氧化钛阻挡层发生化学作用形成可溶性的TiF62-，致使氧化钛阻挡层形成不规则的凹痕；随着氧化时间的延长，凹痕逐渐发展成孔核，孔核又因场致和化学溶解过程而成为小孔，小孔的密度不断增加，最后均匀分布在极板表面形成有序结构，主要发生的反应是：TiO2+6F-+4H+→TiF62-+2H2O(4)3)当氧化钛阻挡层向钛基底推进的速度与孔底氧化层的溶解速度相等时，孔的长度不再增加，最终形成独立有序的纳米管结构。(5)待反应完成后将形成的具有纳米管形貌的Ti极板取出，去离子水超声清洗后，再干燥即得到成品Ti纳米电极。步骤3所述的电解槽的形状为圆柱形或四方柱形，阳极和阴极间用高分子离子交换膜隔开，使电解槽成为多槽形式；或阳极和阴极间不放置高分子离子交换膜，使电解槽成为单槽形式。和现有技术相比较，本专利技术具有如下优点：1)所有处理均在单一的反应装置中完成。2)采用RuO2+IrO2网状电极作辅助电极制作的Ti纳米电极，在电解过程中，电极表面会形成双电层结构能充分吸附硝酸盐离子，使硝酸根离子更充分的与电极表面接触，从而高效的电解还原去除硝酸盐。3)采用Ti纳米电极去除硝酸盐效率比使用Ti阴极高，能高效去除水中硝酸盐且无副产物的生成。4)反应器制作简单、操作方便，成本低。附图说明图1为电化学还原硝酸盐装置图。图2为实施例1中不同电极对硝酸盐处理效果。图3为实施例2中不同电极对硝酸盐处理效果。具体实施方式实施例1如图1所示，电解槽为一个圆柱形水槽，由聚乙烯材料制成，一个直流稳压器作为电源，其有效电压为0～100V，有效电流为0～5A。实验中将人工合成的硝酸盐污染水(NO3--N，50mg/L；Na2SO4，0.5g/L)300mL放入电解槽中，开启电源，调节电流，使电流为0.75A。阴极和阳极极板尺寸大小均为15×5cm，极板有效面积为50.0cm2，阳极均使用Ti/Pt电极，①使用的阴极为Ti阴极，则反应90分钟后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降至46.0mg/L；②阴极采用以Ti电极作辅助电极制作的Ti纳米电极(Ti-Nano1)，则反应90分钟后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降到42.0mg/L，去除速率比使用Ti电极提高了100％；③阴极为RuO2+IrO2网状电极作辅助电极制作的Ti纳米电极(Ti-Nano2)，则反应90分钟后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降至29.1m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，其特征在于：使用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极，在一个电解槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，具体包括如下步骤：步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；步骤2：采用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极为阴极，采用Ti/Pt电极为阳极，阴极和阳极极板间距5～20mm；步骤3：将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～300分钟，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：阴极反应：NO3‑+H2O+2e‑＝NO2‑+2OH‑    (1)NO3‑+3H2O+5e‑＝1/2N2+6OH‑  (2)NO2‑+5H2O+6e‑＝NH3+7OH‑    (3)2NO2‑+4H2O+6e‑＝N2+8OH‑    (4)2H2O+2e‑＝H2+2OH‑(副反应)  (5)所述以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极的制作方法如下：(1)用100～180目的砂纸打磨Ti极板；(2)将打磨好的Ti极板，用去离子水超声清洗20～40分钟；(3)将超声清洗后的Ti极板吹干待用；(4)采用恒压阳极氧化法处理电极，阳极氧化采用的电源为直流稳压电源；具体为：采用RuO2+IrO2网状电极为辅助电极即阴极，采用步骤3吹干后的Ti极板为工作电极即阳极，以含质量百分比为0.01～0.30％的NH4F的水溶液作电解液，在设定的氧化电压10～60V条件下，氧化30～180分钟；在阳极的表面会形成微观纳米管结构，其电极表面纳米管形成的原理是：1)在电场的作用下，阳极表面附近的水电离产生O2‑，同时钛快速溶解，产生大量Ti4+，与O2‑迅速反应，在Ti极板表面形成致密的氧化钛阻挡层，主要发生以下反应：H2O→2H++O2‑          (1)Ti‑4e→Ti4+          (2)Ti4++2O2‑→TiO2       (3)2)电解质溶液中的F‑在电场的作用下，迁移至阳极附近，与氧化钛阻挡层发生化学作用形成可溶性的TiF62‑，致使氧化钛阻挡层形成不规则的凹痕；随着氧化时间的延长，凹痕逐渐发展成孔核，孔核又因场致和化学溶解过程而成为小孔，小孔的密度不断增加，最后均匀分布在极板表面形成有序结构，主要发生的反应是：TiO2+6F‑+4H+→TiF62‑+2H2O  (4)3)当氧化钛阻挡层向钛基底推进的速度与孔底氧化层的溶解速度相等时，孔的长度不再增加，最终形成独立有序的纳米管结构；(5)待反应完成后将形成的具有纳米管形貌的Ti极板取出，去离子水超声清洗后，再干燥即得到成品Ti纳米电极。...

【技术特征摘要】
1.一种Ti纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，其特征在于：使用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极，在一个电解槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，具体包括如下步骤：步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；步骤2：采用以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极为阴极，采用Ti/Pt电极为阳极，阴极和阳极极板间距5～20mm；步骤3：将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～300分钟，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：阴极反应：NO3-+H2O+2e-＝NO2-+2OH-(1)NO3-+3H2O+5e-＝1/2N2+6OH-(2)NO2-+5H2O+6e-＝NH3+7OH-(3)2NO2-+4H2O+6e-＝N2+8OH-(4)2H2O+2e-＝H2+2OH-副反应(5)所述以RuO2+IrO2网状电极为辅助电极制作的Ti纳米电极的制作方法如下：(1)用100～180目的砂纸打磨Ti极板；(2)将打磨好的Ti极板，用去离子水超声清洗20～40分钟；(3)将超声清洗后的Ti极板吹干待用；(4)采用恒压阳极氧化法处理电极，阳极氧化采用的电源为直流稳压电源；具体为：采用RuO2+IrO2网状电极为辅助电极即阴极，采用步骤(3)吹干后的Ti极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淼，刘翔，王乐乐，丁国玉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11