一種Ti-石墨烯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，具體涉及一種T1-石墨烯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，隨著人類生活的豐富與社會的發(fā)展，水中硝酸鹽的污染已不容小覷。作為一種最為常見的非點源污染物，硝酸鹽嚴重影響了地下水的應(yīng)用。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10mg/L。然而，在美國，約20 %的地下水井水和10 %的溪流所含硝酸鹽超過了飲用水標準。西班牙、英國、德國、法國和意大利也分別有約80 %、50 %、36 %、34 %和32 %的地下水水體硝酸鹽濃度超過25mg-N/L。在我國，大部分地區(qū)的地下水不同程度受到硝酸鹽污染，全國69個地下水采樣點中，有37個采樣點水樣中的硝酸鹽濃度含量超過50mg/L，個別地區(qū)的硝酸鹽濃度甚至超過100mg-N/L。攝入過多的硝酸鹽威脅人類健康，會使得抗甲狀腺素的合成受阻，易引起地方性甲狀腺腫；而硝酸鹽轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的亞硝胺，則會致癌，致畸，致突變，誘發(fā)各種腫瘤疾病，嚴重危害人類健康。
[0003]目前，去除水中硝酸鹽的方法主要包括物理法，化學(xué)法和生物法等。其中，物理法是將硝酸鹽轉(zhuǎn)移到其它介質(zhì)或變成濃縮液，而處理轉(zhuǎn)移后的濃縮液還需進一步處理，并未從根本上去除硝酸鹽。生物反硝化法是目前實際應(yīng)用最為廣發(fā)的一種硝酸鹽去除發(fā)，但其處理含硫濃度較高的水體時會造成二次污染，另外，剩余污泥量較大，需要在處理，增加環(huán)境壓力?；瘜W(xué)法中催化還原法可有效將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣，但反應(yīng)所用的氫氣價格昂貴且不便于存儲運輸，由于其操作條件難以控制而在實際應(yīng)用中受到限制。
[0004]相較而言，電化學(xué)法是通過氧化還原反應(yīng)，以電子為參與物，直接或間接地進行化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)換，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣。電化學(xué)法以其去除率高、效果穩(wěn)定、裝置簡單、快速高效而受到學(xué)者的關(guān)注。石墨烯作為近些年來備受關(guān)注的二維材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及機械性能，在復(fù)合材料、催化劑載體和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。尤其是其優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性及超大的比表面積，用于電化學(xué)法中與電極結(jié)合，可有效提高極板的電子傳導(dǎo)性，促進極板與處理水體的有效接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了實現(xiàn)上述石墨烯材料與電極的結(jié)合，本發(fā)明的目的在于提供一種T1-石墨烯電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法，使用氧化石墨烯作為輔助電制作的T1-石墨烯電極，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]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種T1-石墨烯電極高效去除地下水中硝酸鹽的方法，使用以氧化石墨烯為輔助制作的T1-石墨烯電極，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:采用以氧化石墨烯為輔助制作的T1-石墨烯電極為陰極，采用Ti/Pt電極為陽極；
[0010]步驟3:將硝酸鹽污染水、陰極和陽極放入電解槽中，陰極和陽極極板間距5?20mm，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]NO3 +H20+2e = NO 2 +20H (I)
[0013]NO3 +3H20+5e = 1/2N 2+60H (2)
[0014]NO2+5H20+6e = NH 3+70H (3)
[0015]2N02 +4H20+6e = N 2+80H (4)
[0016]2Hz0+2e = H 2+20H (副反應(yīng)) (5)
[0017]所述以氧化石墨烯為輔助制作的T1-石墨烯電極的制作方法如下:
[0018]步驟1:氧化石墨烯的制備步驟如下:
[0019]步驟1.1:將鱗片石墨粉加入燒杯；
[0020]步驟1.2:冰水浴攪拌下，向燒杯中加入質(zhì)量比鱗片石墨粉=NaNO3S 2:1的NaNO 3與使鱗片石墨粉濃度為43.5mg/mL的H2SO4,隨后緩慢加入質(zhì)量比鱗片石墨粉=KMnO4S 1:3的 KMnO4;
[0021]步驟1.3:5分鐘后，去除冰水浴并將體系加熱至35°C保溫30分鐘；
[0022]步驟1.4:緩慢加入使鱗片石墨粉濃度為21.7mg/mL的去離子水水至燒杯中，并攪拌15分鐘；
[0023]步驟1.5:加入60°C的質(zhì)量濃度為3% H2O2水溶液，直至氣泡消失；
[0024]步驟1.6:離心沉淀物至pH為3-4，冷凍干燥，得到氧化石墨稀粉末；
[0025]步驟2:T1-石墨烯電極的制作具體包括如下步驟:
[0026]步驟2.1:用100?180目的砂紙打磨Ti極板；
[0027]步驟2.2:將打磨好的Ti極板，用去離子水沖洗2?5遍；
[0028]步驟2.3:將沖洗后的Ti極板吹干待用；
[0029]步驟2.4:采用泡沫膜模板法處理電極；具體為:采用氧化石墨烯為輔助，采用步驟3吹干后的Ti極板為模板，配制2.0?20.0mg/mL的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，使十二烷基苯磺酸鈉溶液濃度為0.02mg/mL ;將Ti極板垂直或水平浸入氧化石墨烯溶液作為模板，浸泡I?30min ;輕輕取出經(jīng)自然晾干后，在Ti極板的表面會形成干燥的氧化石墨烯泡沫薄膜，其極板表面薄膜形成的原理是:1)泡沫薄膜作為一種兩親分子有序排列而成的二維組裝結(jié)構(gòu)，通常是通過往表面活性劑溶液中鼓入氣泡或是在空氣/水界面擴大氣泡而獲得的；2)干燥泡沫薄膜在間隙中的水被排到空氣中后得到；3)含有兩親性化合物溶液的孔洞經(jīng)蒸發(fā)之后，得到干燥薄膜；
[0030]步驟2.5:待反應(yīng)完成后將形成的具有泡沫薄膜的Ti極板取出，自然晾干后，即得到成品T1-石墨稀電極。
[0031]電解去除硝酸鹽的步驟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。
[0032]和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0033]I)所有處理均在單一的反應(yīng)裝置中完成，易于控制。
[0034]2)采用氧化石墨烯作輔助制作的T1-石墨烯電極，可提高電極的電子傳導(dǎo)性，使硝酸根離子更充分的與電極表