Ti/Fe阴极催化还原硝酸盐氮并电解氯氧化无害化去除研究

论文摘要

地下水在全世界范围内都是重要的饮用水源。然而,随着工农业的迅速发展,大量使用化肥和含氮污水的排放造成水体氮污染。地下水硝酸盐污染已成为全球严重的环境问题之一。近年来,水体脱氮也成为国内外学者研究的热点。目前,催化还原是国际公认最具发展前景的水体硝酸盐氮脱除技术,然而之前研究主要依赖于贵金属（如Pd）作为催化剂,这限制了这种技术的广泛应用。基于Pd-Me双金属催化还原硝酸盐氮的反应机理和折点氯化法去除氨氮的理论,本研究旨在研发一种基于铁修饰阴极催化还原,结合电解氯氧化无害化去除地下水中硝态氮的技术。制备具有高效催化还原性能的铁修饰钛基阴极是本研究的关键技术。铁修饰涂层决定阴极催化还原性能,从而电极修饰方案影响硝酸盐氮催化还原效率。实验首先对Fe/Ti阴极的制备方案进行研究,实验结果表明,Fe/Ti阴极的最佳制备方案为：以未经过退火处理的钛板为基体,修饰涂层前驱液Fe（NO3）3水溶液浓度为2mol-Fe/L,焙烧温度为500℃,涂刷次数为4次,焙烧时间为60min。以Ti/Fe为阴极,Ti/Ir-Ru为阳极组成电解体系,探索催化还原硝酸盐氮的影响规律。结果表明以催化还原效率为指标,同时考虑能耗,合理的反应参数为：电流密度10mA/cm2,极板距离6cm,搅拌强度450rad/min,电解时问60min。在此条件下电解体系硝酸盐氮催化还原效率达到51.8%。结合氯氧化技术,以Ti/Fe为阴极,Ti/Ir-Ru为阳极,NaCl为支持电解质组建电解体系,开展了水中硝酸盐氮去除的实验研究。结果表明,以出水各项氮素浓度及总氮去除率指标,同时考虑能耗及技术可行性,较为合理的反应参数为：Cl-浓度200mg/L,电流密度1OmA/cm2,极板距离6cm,搅拌强度450rad/min,电解时间90min。在此条件下,各项氮素出水浓度均符合国家饮用水标准。分析提出了铁修饰阴极催化还原硝酸盐氮的反应机理模型,即为：电解产生的活性还原物质H*攻击吸附于铁修饰钛基阴极表面的N—-O键,并主要形成N—H新键,从而导致N03--N的主要还原产物为NH4+-N; NH4+-N氧化机理为电解氯和HOCl氧化去除氨氮。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 地下水及水体硝酸盐氮污染概述
• 1.1.1 地下水
• 1.1.2 水体硝酸盐污染
• 1.1.3 水体硝酸盐污染危害
• 1.2 国内外地下水硝酸盐污染修复技术研究现状和发展动态
• 1.2.1 生物反硝化法
• 1.2.2 物理化学反硝化法
• 1.2.3 化学还原修复技术
• 1.2.4 其它方法治理水中硝酸盐氮
• 1.3 研究目的、意义及内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.4 研究技术路线
• 1.3.5 本项目的特色与创新之处
• 1.3.6 研究意义
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验装置
• 2.3 电极制备
• 2.4 实验用水
• 2.5 实验操作步骤
• 2.6 监测分析方法
• 2.7 主要参数的计算方法
• 第3章 Fe修饰Ti基阴极制备研究
• 3.1 基体处理和前驱物溶剂
• 3.2 前驱物溶液浓度
• 3.3 焙烧温度
• 3.4 涂层前驱液涂刷次数的影响
• 3.5 焙烧时间的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 Fe修饰Ti基阴极催化还原特性研究
• 4.1 电流密度对阴极催化还原效果的影响
• 4.2 极板间距对阴极催化还原效果的影响
• 4.3 搅拌强度对阴极催化还原效果的影响
• 4.4 电解时间对阴极催化还原效果的影响
• 4.5 小结
• 第5章 催化电解无害化去除硝酸盐氮研究
• 5.1 NaCl添加量对总氮去除率的影响
• 5.2 电流密度对硝酸盐氮催化电解去除效果的影响
• 5.3 极板距离对硝酸盐氮催化电解去除效果的影响
• 5.4 搅拌强度对硝酸盐氮催化电解去除效果的影响
• 5.5 电解时间对硝酸盐氮催化电解去除效果的影响
• 5.6 能耗分析
• 5.7 小结
• 3^--N的机理分析'>第6章 催化还原-电解氯氧化无害化去除水体中NO₃^--N的机理分析
• 6.1 硝酸盐氮去除机理研究
• 6.2 氨氮去除机理
• 6.3 水体中硝酸盐氮的无害化去除反应历程
• 第7章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论著及获奖情况