[发明专利]一种Zn/Cu/Ti多金属纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法

摘要

一种Zn/Cu/Ti多金属纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，步骤如下：1、取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为5～200mg/L，硫酸钠含量0.01～1.0g/L；2、采用以石墨板为阴极，Ti极板为阳极，制作Ti纳米电极，再以Cu极板为阳极，以Ti纳米电极为阳极制作Cu/Ti双层纳米电极，然后以Zn极板为阳极，Cu/Ti双层纳米电极为阴极，制作Zn/Cu/Ti多金属纳米电极；3、采用Pt极板为阳极，Zn/Cu/Ti多金属纳米电极为阴极，将硝酸盐污染水、阴极板和阳极板放入电解槽中电解，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气或氨，达到去除硝酸盐的目的；本发明使用以Ti纳米电极为基底制作的Zn/Cu/Ti多金属纳米电极为阴极，在一个电化学反应器内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助处理装置。

主权项

1.一种Zn/Cu/Ti多金属纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，其特征在于：采用以石墨板为阴极，Ti极板为阳极，制作Ti纳米电极，再以Cu极板为阳极，以Ti纳米电极为阴极，制作Cu/Ti双层纳米电极，然后以Zn极板为阳极，Cu/Ti双层纳米电极为阴极，制作Zn/Cu/Ti多金属纳米电极，最后以Pt极板为阳极，以Zn/Cu/Ti多金属纳米电极为阴极，在一个电解槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助处理装置，具体包括如下步骤：步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为5～200mg/L，硫酸钠含量0.01～1.0g/L；步骤2：采用以石墨板为阴极，Ti极板为阳极，制作Ti纳米电极，再以Cu极板为阳极，以Ti纳米电极为阴极，制作Cu/Ti双层纳米电极，然后以Zn极板为阳极，Cu/Ti双层纳米电极为阴极，制作采用Zn/Cu/Ti多金属纳米电极，最后以Pt极板为阳极，以Zn/Cu/Ti多金属纳米电极为阴极；步骤3：将硝酸盐污染水、阴极Zn/Cu/Ti多金属纳米电极和阳极Pt极板放入电解槽中，设定电流在0.1～3.0A条件下，电解30～180分钟，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐在阴极得到电子被还原生成氮气或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：阴极反应：NO3‑+H2O+2e‑＝NO2‑+2OH‑              (1)NO3‑+3H2O+5e‑＝(1/2)N2+6OH‑          (2)NO2‑+5H2O+6e‑＝NH3+7OH‑              (3)NO2‑+4H2O+4e‑＝NH2OH+5OH‑            (4)2NO2‑+4H2O+6e‑＝N2+8OH‑              (5)2NO2‑+3H2O+4e‑＝N2O+6OH‑             (6)NO2‑+H2O+2e‑＝NO+2OH‑               (7)N2O+5H2O+4e‑＝2NH2OH+4OH‑           (8)2H2O+2e‑＝H2+2OH‑(sidereaction)     (9)所述采用以石墨板为阴极，Ti极板为阳极，制作Ti纳米电极，再以Cu极板为阳极，以Ti纳米电极为阴极，制作Cu/Ti双层纳米电极，然后以Zn极板为阳极，Cu/Ti双层纳米电极为阴极，制作Zn/Cu/Ti多金属纳米电极的方法如下：步骤(1)：用100～800目的金相砂纸打磨Ti极板；步骤(2)：将打磨好的Ti极板，用去离子水超声清洗5～30分钟；步骤(3)：将超声清洗后的Ti极板吹干待用；步骤(4)：采用恒压阳极氧化法处理电极，阳极氧化采用的电源为直流稳压电源；具体为：采用石墨电极为阴极，采用步骤3吹干后的Ti极板为阳极，在乙酸溶液中加入占乙酸溶液质量0.01～0.10％的氢氟酸形成的混合液作为反应液，在设定的氧化电压5～50V条件下，氧化30～180分钟；在阳极的表面会形成微观纳米管结构，其电极表面纳米管形成的原理是：在施加电压的瞬间，阳极表面附近的水电离产生O2‑，同时钛快速溶解，阳极电流增大产生大量Ti4+，产生的Ti4+与O2‑迅速反应，电解液中的F‑在电场的作用下，致使氧化钛阻挡层表面形成不规则的凹痕；随着氧化时间的延长，凹痕逐渐发展成孔核，孔核在场致和化学溶解作用下成为小孔，小孔的数量不断增加，最后均匀分布在Ti极板表面形成有序结构，得到Ti纳米电极，其反应式为下式(1)—(4)；步骤(5)：待反应完成后将Ti纳米电极取出，在电解槽中放入100ml浓度为50～300g/l的硫酸铜，向其中加入3.75ml浓硫酸组成混合溶液，以Cu极板为阳极，Ti纳米电极为阴极，在设定电流0.01‑0.3A的条件下，电镀5‑60秒，去离子水超声清洗后，再干燥即得到成品Cu/Ti双层纳米电极；电极表面双层纳米电极形成的原理是：在直流电源的作用下，电流通向阳极，阳极Cu极板不断失去电子氧化成金属离子扩散到溶液中即阳极的溶解过程，失去的电子在电源电势的驱动下，向电流反方向运动，通过直流电源富集到阴极上，铜离子在阴极上不断得到电子而还原成金属镀层，其反应式为下式(5)‑(9)；步骤(6)：待反应完成后将Cu/Ti双层纳米电极取出，用0～300g的氯化钾和50～200g氯化锌配成1L混合溶液，取100mL放入电解槽中，再向其加入浓度为0.01～0.1mol/l盐酸300μl组成混合溶液，以Zn极板为阳极，Cu/Ti双层纳米电极为阴极，在电流0.01‑0.5A下镀锌5‑60秒，去离子水超声清洗，再干燥即得到Zn/Cu/Ti多金属纳米电极；在电极的表面会形成三层微观纳米孔洞结构；电极表面三层微观纳米孔洞结构形成的原理是：在直流电源的作用下，电流通向阳极，阳极Zn极板不断失去电子氧化成金属离子扩散到溶液中即阳极的溶解过程，失去的电子在电源电势的驱动下，向电流反方向运动，通过直流电源富集到阴极上，锌离子在阴极上不断得到电子而还原成金属镀层，其反应式为下式(8)‑(11)；整个过程发生的主要化学反应如下：H2O→2H++O2‑                (1)Ti‑4e→Ti4+                (2)Ti4++2O2‑→TiO2              (3)TiO2+6F‑+4H+→TiF62‑+2H2O   (4)Cu—2e→Cu2+               (5)SO42‑—2e→SO3+1/2O2        (6)Cu2++2e‑→Cu                (7)H2O—2e→2H++1/2O2         (8)2H++2e→H2                 (9)Zn—2e→Zn2+                (10)Zn2++2e‑→Zn                 (11)。