一種Ti納米電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水中硝酸鹽處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種Ti納米電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著人口的增長和社會經(jīng)濟的進步，水中硝酸鹽的污染日趨嚴重。在歐洲的一些地區(qū)，30年前硝酸鹽的污染就已達到比較嚴重的水平，而且還在繼續(xù)增長。目前，我國大部分地區(qū)的地下水已不同程度的受到硝酸鹽污染，個別地區(qū)其濃度甚至超過10mg-N/Lo攝入過多的硝酸鹽對人體健康有很多危害，如將人體內(nèi)正常血紅蛋白轉(zhuǎn)化為不具備氧氣運輸能力的高鐵血紅蛋白，引起高鐵血紅蛋白癥，嚴重時可導致死亡；在硝酸鹽轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的亞硝酸胺等具有致癌、致畸和致突變作用，可誘發(fā)各種腫瘤疾病。世界衛(wèi)生組織(WHO)《飲用水水質(zhì)標準》和我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》都規(guī)定硝酸鹽氮最高限值為1mg/L0
[0003]目前去除水中硝酸鹽的方法主要有物理法、生物法和化學法等。物理法只是將硝酸鹽從水中轉(zhuǎn)移到其它介質(zhì)中或變成濃縮液，并沒有從根本上去除硝酸鹽，轉(zhuǎn)移后的濃縮液，若處理不當，會對環(huán)境造成二次污染。生物反硝化法是通過微生物作用將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣，是目前實際應(yīng)用最為廣泛的一種硝酸鹽去除方法。但其所需反應(yīng)器體積龐大、建設(shè)費用高，且處理周期一般較長，易受環(huán)境因素如溫度、PH值、污染物濃度和溶解氧濃度等條件的影響?；瘜W還原法主要是催化還原法，可有效地將大部分硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣，但是反應(yīng)所需氫氣性質(zhì)活潑、價格昂貴，不便于存儲運輸，且催化還原法所需要的操作條件(PH值、水質(zhì)、傳質(zhì)效率等)難以控制，使得該方法在實際應(yīng)用中受到諸多限制。
[0004]與之相比，電化學法利用電子作為潔凈的氧化還原反應(yīng)參與物，直接或間接地進行化學物質(zhì)間的轉(zhuǎn)換，將硝酸鹽氮還原成對環(huán)境友好的氮氣，去除率高、效果穩(wěn)定、處理費用低、易控制受到越來越多學者的關(guān)注。關(guān)于電化學法還原硝酸鹽的研宄已經(jīng)有許多文獻報道過，還有使用不同陰陽極組合運用電化學法去除飲用水源中硝酸鹽的方法的專利；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，但是都未能解決電化學還原硝酸鹽過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽和氨等副產(chǎn)物問題，從而限制了其實用化。關(guān)于納米電極的制作已經(jīng)有許多研宄，而在納米電極的制作過程中，還未發(fā)現(xiàn)使用貴金屬RuO2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納米電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法，使用Ru02+Ir0^狀電極作為輔助電極制作的Ti納米電極，在一個電化學反應(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納米電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法，使用以Ru02+Ir02網(wǎng)狀電極為輔助電極制作的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Ru02+Ir02網(wǎng)狀電極為輔助電極制作的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氣、亞硝酸鹽或氨，達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Ru02+Ir02網(wǎng)狀電極為輔助電極制作的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Ru02+Ir02網(wǎng)狀電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，以含質(zhì)量百分比為0.01?0.30%的NH4F的水溶液作電解液，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)在電場的作用下，陽極表面附近的水電離產(chǎn)生02_，同時鈦快速溶解，產(chǎn)生大量Ti4+，與02_迅速反應(yīng)，在Ti極板表面形成致密的氧化鈦阻擋層，主要發(fā)生以下反應(yīng):
[0022]H2O — 2H++02- (I)
[0023]T1-4e — Ti4+ (2)
[0024]Ti4++202^ T1 2 (3)
[0025]2)電解質(zhì)溶液中的F_在電場的作用下，迀移至陽極附近，與氧化鈦阻擋層發(fā)生化學作用形成可溶性的TiF62—，致使氧化鈦阻擋層形成不規(guī)則的凹痕；隨著氧化時間的延長，凹痕逐漸發(fā)展成孔核，孔核又因場致和化學溶解過程而成為小孔，小孔的密度不斷增加，最后均勻分布在極板表面形成有序結(jié)構(gòu)，主要發(fā)生的反應(yīng)是:
[0026]??02+6Γ+4Η+— TiF 62>2H20 (4)
[0027]3)當氧化鈦阻擋層向鈦基底推進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，最終形成獨立有序的納米管結(jié)構(gòu)。
[0028](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。
[0029]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。
[0030]和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0031]I)所有處理均在單一的反應(yīng)裝置中完成。
[0032]2)采用Ru02+Ir02網(wǎng)狀電極作輔助電極制作的Ti納米電極，在電解過程中，電極表面會形成雙電層結(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。
[0033]3)采用Ti納米