一種Ti納米電極高效去除水體中硝酸鹽的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下水中硝酸鹽處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Ti納米電極高效去除水體中硝酸鹽的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于工業(yè)與生活污水的排放，養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)過度施用氮肥等，導(dǎo)致世界范圍內(nèi)水體中硝酸鹽氮的污染，并呈日益惡化的趨勢。我國的情況不容樂觀，80年代以來，我國地下水硝酸鹽污染越來越嚴(yán)重，對我國北方14個縣市69個地點(diǎn)地下水和飲用水硝酸鹽含量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，數(shù)據(jù)顯示有37個地點(diǎn)水樣硝酸鹽濃度超過我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。世界衛(wèi)生組織(WHO)《飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》都規(guī)定硝酸鹽氮最高限值為10mg/L。高濃度的硝酸鹽飲用水會對人體的健康造成嚴(yán)重的危害，硝酸鹽本身毒性很低，它進(jìn)入人體腸胃以后被還原為亞硝酸鹽，其毒性是硝酸鹽的11倍，亞硝酸鹽能導(dǎo)致高鐵血紅蛋白癥和誘發(fā)多種癌癥，在較大劑量時還對人體血管神經(jīng)和心血管系統(tǒng)存在不良影響。
[0003]對受硝酸鹽污染的地下水凈化技術(shù)，主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。物理法可以有效地去除地下水中的硝酸鹽，但并沒有對其進(jìn)行徹底的降解去除，只是將硝酸鹽污染物進(jìn)行了濃縮或轉(zhuǎn)移，且處理費(fèi)用較高，產(chǎn)生的濃縮廢水會造成二次處理難題?；瘜W(xué)法主要是催化還原法，反應(yīng)過程中很難將硝酸鹽完全轉(zhuǎn)化成無害的氮?dú)猓瑫a(chǎn)生氨氮、金屬離子、金屬氧化物等導(dǎo)致二次污染。生物脫氮技術(shù)反應(yīng)器占地面積大、處理速度慢、易受環(huán)境影響、出水中含有細(xì)菌和殘留有機(jī)物，需要進(jìn)行后續(xù)處理。電化學(xué)法利用電子作為潔凈的氧化還原反應(yīng)參與物，直接或間接地進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換，可將硝酸鹽氮還原為對環(huán)境友好的氮?dú)?，但電化學(xué)法還原去除硝酸鹽會產(chǎn)生亞硝酸鹽及氨等副產(chǎn)物，迄今為止一直未得到有效的解決，從而限制了其實(shí)用化。
[0004]在電化學(xué)還原硝酸鹽方面，已經(jīng)有使用不同陰陽極組合運(yùn)用電化學(xué)法去除飲用水源中硝酸鹽的方法的專利(CN101746871A);金屬改性活性炭纖維電極和用該電極去除硝酸鹽的方法的專利(CN1789498A)，但是都未提供硝酸鹽還原副產(chǎn)物(主要是銨鹽)去除的方法。此外，在以往的文獻(xiàn)中已有利用電化學(xué)氧化去除廢水中氨氮的研宄，但仍存在其副產(chǎn)物的去除問題。有研宄者采用Ti電極等去除硝酸鹽，雖然能夠?qū)⑾跛猁}去除，但對硝酸鹽的去除率較低。許多學(xué)者對于納米電極的制作進(jìn)行了研宄，而在納米電極的制作過程中，還未發(fā)現(xiàn)使用貴金屬11"02作為輔助電極即陰極來制作納米電極的研宄，關(guān)于用此方法制作的納米電極去除水中硝酸鹽的研宄目前也還未有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種Ti納米電極高效去除水體中硝酸鹽的方法，使用以11*02輔助電極制作的Ti納米電極，在一個電化學(xué)反應(yīng)槽內(nèi)有效地去除硝酸鹽，無需其他輔助的處理裝置。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種Ti納米電極高效去除水體中硝酸鹽的方法，使用以IrO2為輔助電極制作的Ti納米電極，在一個電解槽內(nèi)有效地去除硝酸鹽，無需其他輔助的處理裝置，具體包括如下步驟:
[0008]步驟1:取硝酸鹽污染水，其中硝酸鹽氮含量為25?100mg/L，硫酸鈉含量0.1?1.0g/L ；
[0009]步驟2:采用以IrO2為輔助電極制作的Ti納米電極為陰極，采用Ti/Pt電極為陽極，陰極和陽極極板間距5?20mm ；
[0010]步驟3:將硝酸鹽污染水、陰極和陽極放入電解槽中，設(shè)定電流在0.2?3.0A條件下，電解60?300分鐘，從而還原去除硝酸鹽；硝酸鹽在陰極得到電子被還原生成氮?dú)?、亞硝酸鹽或氨，達(dá)到去除硝酸鹽的目的；反應(yīng)式如下:
[0011]陰極反應(yīng):
[0012]N03>H20+2e-= NO 2>20F(I)
[0013]N(V+3H20+5e-= 1/2Ν2+60Γ(2)
[0014]N02>5H20+6e-= NH 3+70Γ(3)
[0015]2N02>4H20+6e-= N2+80F(4)
[0016]2H20+2e-= H 2+20F(副反應(yīng))(5)
[0017]所述以IrO2為輔助電極制作的Ti納米電極的制作方法如下:
[0018]I)用100?180目的砂紙打磨Ti極板；
[0019]2)將打磨好的Ti極板，用去離子水超聲清洗20?40分鐘；
[0020]3)將超聲清洗后的Ti極板吹干待用；
[0021]4)采用恒壓陽極氧化法處理電極，陽極氧化采用的電源為直流穩(wěn)壓電源；具體為:采用Ir02%極為輔助電極即陰極，采用步驟3吹干后的Ti極板為工作電極即陽極，在乙酸溶液中加入占乙酸溶液質(zhì)量0.01?0.10%的氫氟酸形成的混合液作為電解液，在設(shè)定的氧化電壓10?60V條件下，氧化30?180分鐘；在陽極的表面會形成微觀納米管結(jié)構(gòu)，其電極表面納米管形成的原理是:1)在施加電壓的瞬間，陽極表面附近的水電離產(chǎn)生02_，其反應(yīng)式為下式(I)，同時鈦快速溶解，陽極電流增大產(chǎn)生大量Ti4+，其反應(yīng)式為下式(2)，產(chǎn)生的Ti4+與02_迅速反應(yīng)，其反應(yīng)式為下式(3)，在鈦表面形成致密的氧化鈦?zhàn)钃鯇樱?)電解液中的F_在電場的作用下，迀移至陽極附近，與氧化鈦?zhàn)钃鯇影l(fā)生化學(xué)作用形成可溶性的TiF62—，其反應(yīng)式為下式(4)，致使阻擋層表面形成不規(guī)則的凹痕；隨著氧化時間的延長，凹痕逐漸發(fā)展成孔核，孔核在場致和化學(xué)溶解作用下成為小孔，小孔的密度不斷增加，最后均勻分布在Ti極板表面形成有序結(jié)構(gòu)；3)當(dāng)氧化鈦?zhàn)钃鯇酉蜮伝淄七M(jìn)的速度與孔底氧化層的溶解速度相等時，孔的長度不再增加，最終形成獨(dú)立有序的Ti納米管結(jié)構(gòu)；整個過程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
[0022]H2O — 2H++02-(I)
[0023]T1-4e — Ti4+(2)
[0024]Ti4++202^ T1 2(3)
[0025]??02+6Γ+4Η+— TiF 62>2H20 (4)
[0026]5)待反應(yīng)完成后將形成的具有納米管形貌的Ti極板取出，去離子水超聲清洗后，再干燥即得到成品Ti納米電極。
[0027]步驟3所述的電解槽的形狀為圓柱形或四方柱形，陽極和陰極間用高分子離子交換膜隔開，使電解槽成為多槽形式；或陽極和陰極間不放置高分子離子交換膜，使電解槽成為單槽形式。
[0028]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0029](I)采用IrO2作輔助電極制作的Ti納米電極，電極表面形成的雙電層結(jié)構(gòu)能充分吸附硝酸鹽離子，使硝酸根離子更充分的與電極表面接觸，從而高效的電解還原去除硝酸鹽；
[0030](2)采用Ti納米電極與Ti電極相比，硝酸鹽去