电催化还原去除水中硝酸盐氮的研究

论文摘要

地下水中硝酸盐的污染及其对人类健康的影响已经逐渐引起人们的普遍关注，世界卫生组织WHO和美国环保局USEPA都在饮用水水质标准中规定饮用水中NO3-N浓度不得超过10mg／L。有效地控制污染源，采取一系列防治措施是必需的，然而对于大多数地区来说，对已污染的地下水进行处理是当务之急。本文对去除地下水中硝酸盐的主要技术进行了阐述和比较。通过对各种处理技术存在的优缺点的比较，本文认为电催化还原去除地下水中硝酸盐技术是一项有发展前景的饮用水处理技术，着重进行了电催化还原去除硝酸盐的试验研究。在电催化的实验过程中，选择合适的电极是十分关键的步骤，一方面水处理技术中应用的电极要符合“绿色环保”的要求，不会在反应过程中被腐蚀，不会产生有害物质释放到处理水体中；另一方面，催化剂的引入不仅加快反应速度，提高反应效率，而且会提高理想反应物的选择率。根据这两个基本原则，本实验选取了几种电极组合，分别为：①阴极无孔钛板+Cu、Pd—Cu电镀，阳极炭板；②阴极钛网+活性炭纤维ACF（Pd—Cu、Pd、Cu负载），阳极相同面积钛网；③阴极多孔钛板／活性炭纤维ACF（Pd—Cu负载），阳极相同面积多孔钛板。通过试验结果的分析对比，选取了阴极多孔钛板，阳极相同面积多孔钛板作为电极进行后续试验。在后续试验中，研究了单室反应器内不同比例（1：1和4：1）负载Pd、Cu催化剂的多孔钛板作为电极的硝酸盐的去除以及各种不同反应条件的影响。多孔钛板4：1比例负载双金属催化剂的脱硝效果要稍稍低于1：1比例负载，但同时发现，4：1比例负载的多孔钛板脱硝后产生的副产物亚硝酸盐氮和氨氮都有所减少。通过对不同比例负载的多孔钛板的催化电极在单室反应器内的脱硝效果比较，确定多孔钛板4：1比例负载催化剂的脱硝效果要好。为了克服单室反应器的反应效率低的缺点，本试验还研究了隔膜双室反应器内对硝酸盐氮的去除效果。研究了在隔膜双室反应内4：1比例负载Pd—Cu和Pd—Sn的多孔钛板作为电极，对硝酸盐的去除以及不同反应条件的影响。试验结果表明，4：1比例负载Pd—Sn不仅对硝酸盐的去除效果好，而且生成的副产物要比Pd—Cu的少。对相同摩尔数常见阴离子SO42-，Cl-，HCO3-对多孔钛板4：1负载Pd—Sn催化剂在隔膜式双室反应器内的脱硝效果影响进行了研究。上述阴离子对实验中脱硝活性的影响按由小到大的顺序依次为SO42-<Cl-<HCO3-。催化还原电极对模拟地下水的脱硝效果未见有大幅度的降低，而变化最明显的是副产物氨氮生成量急剧增加，同时对氮气的选择率方面有所下降。本文通过对不同试验结果的分析，对试验的原理以及动力学进行了研究。不同性质催化剂的催化原理既有相通之处又有独特之处，对其进行了归纳和对比。电催化还原去除地下水中的硝酸盐的技术可以说是一项有效的实用的催化还原技术，尤其适用于小型水厂以及没有统一供水系统而是自家开采地下水作为饮用水源的农村地区。最后并对去除地下水中硝酸盐技术的发展方向以及现有技术存在的问题和有待解决改进的方面进行了探讨和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 地下水中硝酸盐的污染及其来源
• 1.1.1 地下水中氮的存在形式
• 1.1.2 我国硝酸盐氮的污染现状
• 1.1.3 地下水中硝酸盐污染的危害
• 1.1.4 地下水中硝酸盐的污染来源
• 1.2 地下水中硝酸盐的控制对策
• 1.2.1 物理化学脱氮法
• 1.2.2 生物脱氮法
• 1.2.3 催化还原脱氮法
• 1.2.4 组合方法去除硝酸盐
• 1.3 选题思路
• 第2章 研究的主要内容及研究方法
• 2.1 研究的主要内容
• 2.2 实验材料和化学试剂
• 2.2.1 主要试剂及材料
• 2.2.2 主要仪器设备及膜材料
• 2.3 实验装置
• 2.4 实验原理
• 2.5 分析方法
• 2.5.1 硝酸盐氮的测定
• 2.5.2 亚硝酸盐氮的测定
• 2.5.3 氨氮的测定
• 2.5.4 催化电极的XPS分析
• 2.6 主要参数的计算方法
• 第3章 不同组合电极的筛选
• 3.1 电极的负载方法
• 3.2 不同组合电极的脱硝效果及副产物生成的研究
• 3.2.1 无孔钛板电镀电极研究
• 3.2.2 钛网+活性炭纤维ACF负载电极研究
• 3.2.3 多孔钛板电极研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 单室反应器内还原硝酸盐的效果
• 4.1 实验材料和方法
• 4.1.1 催化电极的制备
• 4.1.2 实验装置和研究内容
• 4.2 多孔钛板负载Pd-Cu催化剂还原硝酸盐的效果
• 4.2.1 单室反应器内多孔钛板1:1负载Pd-Cu的脱硝效果
• 4.2.2 单室反应器内多孔钛板4:1负载Pd-Cu的脱硝效果
• 4.2.3 单室反应器内不同比例负载催化剂的脱硝效果比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 隔膜式双室反应器内脱硝效果
• 5.1 多孔钛板4:1负载Pd-Cu催化剂的脱硝效果
• 5.1.1 催化电极的制备
• 5.1.2 实验装置
• 5.1.3 实验条件
• 5.1.4 硝酸盐氮的去除效果和副产物的生成
• 5.1.5 不同反应条件的影响
• 5.1.6 多孔钛板4:1比例负载Pd-Cu脱硝效果比较
• 5.2 多孔钛板4:1负载Pd-Sn催化剂的脱硝效果
• 5.2.1 催化电极的制备
• 5.2.2 实验装置
• 5.2.3 实验条件
• 5.2.4 硝酸盐氮的去除效果和副产物的生成
• 5.2.5 影响因素
• 5.2.6 负载Pd-Cu与Pd-Sn脱硝效果比较
• 5.2.7 阴离子对多孔钛板负载Pd-Sn催化剂脱硝效果影响
• 5.2.8 多孔钛板负载Pd-Sn催化剂对模拟地下配水的处理效果
• 5.3 本章小结
• 第6章 反应机理及动力学研究
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果