一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统及其应用，属于水处理技术领域。本发明专利技术脱氮系统包括电解槽和插入至电解槽中的三电极系统，电解槽内盛放有电解液，电解液中分散悬浮有脱氮催化剂，三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极，对电极采用Pt片，工作电极采用催化剂Ni

【技术实现步骤摘要】
一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统及其应用
本专利技术涉及一种去除水体中硝酸盐的脱氮系统及其应用，具体涉及一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统及其应用，属于水处理

技术介绍
硝酸盐是水体中一种常见的污染物。造成水体中硝酸盐含量超标的因素主要包括农业中含氮肥料的大量使用，动物粪便，固体废弃物的淋溶渗漏，生活污水和含氮工业废水的随意排放，工业废气、汽车尾气等氮氧化物的大气沉降等。江、河、湖泊中硝酸盐含量超标，会造成水体富营养化；饮用水中如果硝酸盐含量超标，会危害人体健康，如蓝婴儿症、高铁血红蛋白综合征等都由此造成；而且，长期饮用高硝酸盐含量的水，容易使人患癌症。目前去除水体中硝酸盐的技术主要包括物理法，如离子交换，反渗透和电渗析，生物法，化学法。物理法并没有将硝酸盐真正的去除或者转化为无害物质，只是将硝酸盐从水相转到吸附剂上，因此并没有真正解决硝酸盐的污染问题。生物法要求严格控制pH，溶解氧或者碳源。化学法包括活性金属还原、电化学还原和催化加氢还原，其中的活性金属还原要求严格的控制pH以防止活性金属钝化，而且产物中亚硝酸盐和氨氮占据主要部分；电化学还原由于没有生物风险和氢气的运输和储存问题近年来受到广泛关注，然而其产物大部分为氨氮，并且其脱氮速率相当低；催化加氢还原脱氮速率很高，对氮气的选择性也较高，但是存在还原剂氢气的运输和储存安全隐患，其工业化应用一直受到限制。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统及其应用，该脱氮系统兼具电催化析氢和催化加氢作用，不仅可以解决氢气的储存和运输安全隐患，而且可以实现水体中硝酸盐的高效去除。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统，包括电解槽和插入至电解槽中的三电极系统，所述电解槽内盛放有电解液，所述电解液中分散悬浮有脱氮催化剂，所述三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极，所述对电极采用Pt片，所述工作电极采用催化剂Ni3S2-NF，所述催化剂Ni3S2-NF的制备步骤如下：(1)裁剪镍网并清洗干净；(2)将步骤(1)中清洗干净的镍网加入到硫脲溶液中后于水热条件下静置；(3)将步骤(2)所得材料洗涤并干燥。优选地，所述脱氮催化剂为负载有金属钯和铜的活性炭PdCu-AC，所述PdCu-AC的制备步骤如下：(1)将活性炭加入至硝酸中，水浴加热、过滤、干燥得到预处理后的活性炭AC；(2)将预处理后的AC、氯化钯PdCl2、硝酸铜加入到乙醇中搅拌均匀；(3)将步骤(2)得到的混合液室温下搅拌至乙醇挥干，干燥；(4)将步骤(3)得到的粉末在管式炉中焙烧即得催化剂PdCu-AC。进一步优选地，步骤(1)中的硝酸采用10％～15％的稀硝酸，水浴温度60～100℃，水浴时间4～6h，过滤采用真空抽滤，100～120℃下干燥2～4h。进一步优选地，步骤(2)中所述的硝酸铜的规格为三水硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O，所述的AC、PdCl2、Cu(NO3)2·3H2O的质量比为1:(0.0835～0.167):(0.0945～0.189)。进一步优选地，步骤中(3)中所述的干燥是在烘箱中60～100℃下干燥10～12h。进一步优选地，步骤(4)中所述的焙烧是在管式炉中氮气氛围下焙烧，以1℃/min的升温速率升至400℃，焙烧2～4h。优选地，步骤(1)中镍网的清洗方法为：依次在30mL丙酮和30mL的盐酸中超声清洗10～15min，然后分别用乙醇和水清洗三次。优选地，步骤(2)中所述的硫脲溶液的浓度为0.10～0.20M，水热温度为120～150℃，水热时间为4～6h。优选地，步骤(3)中所述的洗涤方法是采用乙醇清洗3次，干燥是室温下真空干燥。上述脱氮系统在去除水体中硝酸盐上的应用，其特征在于，所述电解液为含有硝酸钠和硫酸钠的溶液，电解液中硝酸钠浓度为100mg-N/L，硫酸钠浓度为0.1M，电解液中分散悬浮有脱氮催化剂，其中，每100mL电解液中分散悬浮有1g脱氮催化剂，启动与三电极系统电连接的电化学工作站，反应5h。从以上描述可以看出，本专利技术具备以下优点：本专利技术系统首先通过阴极的析氢反应产生氢气，产生的氢气直接作为催化还原硝酸盐的还原剂被利用，通过将脱氮催化剂悬浮在电解槽中，增加了氢气与脱氮催化剂之间的传质效果，从而使得本专利技术脱氮系统兼具电催化析氢和催化加氢作用，不仅可以解决氢气的储存和运输安全隐患，而且可以实现水体中硝酸盐的高效去除。附图说明图1是本专利技术新型脱氮系统的结构示意图；图2为实施例1中脱氮化学催化剂的TEM照片；图3为实施例2中脱氮化学催化剂的TEM照片；图4为实施例3中脱氮化学催化剂的TEM照片；图5为实施例1～3和对比例1中的脱氮效果对比图；图6为实施例1中6次再生循环时脱氮催化剂负载金属溶出比例图；图7为实施例1中6次再生循环时的脱氮效果图；图8为实施例1、对比例1～2中的脱氮效果对比图；附图标记：1.电解槽11.脱氮催化剂21.工作电极22.对电极23.参比电极3.电化学工作站具体实施方式下面通过实施例子，进一步阐述本专利技术的特点，但不对本专利技术的权利要求做任何限定。实施例1一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统，如图1所示，包括电解槽1和插入至电解槽1中的三电极系统；所述电解槽1内盛放有电解液，所述电解液中分散悬浮有脱氮催化剂11，所述脱氮催化剂11为负载有金属钯和铜的活性炭PdCu-AC，所述PdCu-AC的制备步骤如下：(1)称取25g活性炭粉末，向其中加入500mL10％的稀硝酸，于80℃下水浴加热4h，再真空抽滤过滤出固体，最后置于烘箱中100℃下干燥4h，得预处理后的AC；(2)将0.0835gPdCl2、0.0945gCu(NO3)2·3H2O和1g经预处理后的AC、加入到10mL乙醇中搅拌均匀；(3)将步骤(2)得到的混合液室温下搅拌至乙醇挥干，并将所得的固体于烘箱中80℃下干燥12h；(4)将步骤(3)得到的产物置于管式炉中在氮气氛围下以1℃/min的升温速率升至400℃，焙烧2h，即得负载有金属钯和铜的活性炭催化剂(5％PdCu-AC)，其TEM照片如图2所示；所述三电极系统包括工作电极21、对电极22和参比电极23，所述对电极22采用Pt片，所述工作电极21采用催化剂Ni3S2-NF，所述催化剂Ni3S2-NF的制备步骤如下：(1)裁剪2.5×2.5cm的镍网，先用30mL丙酮超声清洗10min，再用30mL3M的盐酸超声清洗10min，最后分别用乙醇和去离子水各清洗3次；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统，包括电解槽和插入至电解槽中的三电极系统，所述电解槽内盛放有电解液，所述三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极，所述对电极采用Pt片，其特征在于，所述电解液中分散悬浮有脱氮催化剂，所述工作电极采用催化剂Ni

【技术特征摘要】
1.一种利用电催化析氢和催化加氢作用高效去除水体中硝酸盐的新型脱氮系统，包括电解槽和插入至电解槽中的三电极系统，所述电解槽内盛放有电解液，所述三电极系统包括工作电极、对电极和参比电极，所述对电极采用Pt片，其特征在于，所述电解液中分散悬浮有脱氮催化剂，所述工作电极采用催化剂Ni3S2-NF，所述催化剂Ni3S2-NF的制备步骤如下：
(1)裁剪镍网并清洗干净；
(2)将步骤(1)中清洗干净的镍网加入到硫脲溶液中后于水热条件下静置；
(3)将步骤(2)所得材料洗涤并干燥。


2.如权利要求1所述的新型脱氮系统，其特征在于，所述脱氮催化剂为负载有金属钯和铜的活性炭PdCu-AC，所述PdCu-AC的制备步骤如下：
(1)将活性炭加入至硝酸中，水浴加热、过滤、干燥得到预处理后的活性炭AC；
(2)将预处理后的AC、氯化钯PdCl2、硝酸铜加入到乙醇中搅拌均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合液室温下搅拌至乙醇挥干，干燥；
(4)将步骤(3)得到的粉末在管式炉中焙烧即得催化剂PdCu-AC。


3.如权利要求2所述的新型脱氮系统，其特征在于，步骤(1)中的硝酸采用10％～15％的稀硝酸，水浴温度60～100℃，水浴时间4～6h，过滤采用真空抽滤，100～120℃下干燥2～4h。


4.如权利要求2所述的新型脱氮系统，其特征在于，步骤(2)中所述的硝酸铜的规格为三水硝酸铜Cu(NO3)2...

【专利技术属性】
技术研发人员：范建伟，胡章强，张伟贤，滕玮，冉献强，王玥，余备，陈小倩，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31