一种Cu/Ti双层纳米电极高效去除地下水中硝酸盐的方法

摘要

一种Cu/Ti双层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25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；2、采用以石墨板为阴极，Ti板为阳极，制作Ti纳米电极，再以铜板为阳极，以Ti纳米电极为基底制作的Cu/Ti双层纳米电极为阴极，采用Pt板为阳极，阴极和阳极极板间距5～20mm；3、将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～120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、亚硝酸盐或氨，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Cu/Ti双层纳米电极为阴极，在一个电化学反应槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置。

主权项

一种Cu/Ti双层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板为阳极，制作Ti纳米电极，再以铜板为阳极，以Ti纳米电极为基底制作的Cu/Ti双层纳米电极为阴极，采用Pt板为阳极，在一个电解槽内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，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25～100mg/L，硫酸钠含量0.1～1.0g/L；步骤2：采用以石墨板为阴极，Ti板为阳极，制作Ti纳米电极，再以铜板为阳极，以Ti纳米电极为基底制作的Cu/Ti双层纳米电极为阴极，采用Pt板为阳极；步骤3：将硝酸盐污染水、阴极Cu/Ti双层纳米电极和阳极Pt板放入电解槽中，阴极和阳极极板间距5～20mm，设定电流在0.2～3.0A条件下，电解60～120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、亚硝酸盐或氨，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^‑＝1/2N₂+6OH^‑   (2)NO₂^‑+5H₂O+6e^‑＝NH₃+7OH^‑   (3)2NO₂^‑+4H₂O+6e^‑＝N₂+8OH^‑   (4)2H₂O+2e^‑＝H₂+2OH^‑(副反应)   (5)所述采用以石墨板为阴极，Ti板为阳极，制作Ti纳米电极，再以铜板为阳极，以Ti纳米电极为基底制作的Cu/Ti双层纳米电极的制作方法如下：步骤(1)：用100～400目的粗细两种金相砂纸分别打磨Ti板；步骤(2)：将打磨好的Ti板，用去离子水超声清洗10～30分钟；步骤(3)：将超声清洗后的Ti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：采用石墨电极为辅助电极即阴极，采用步骤3吹干后的Ti板为工作电极即阳极，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电解液，在设定的氧化电压10～60V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，即Ti纳米电极；步骤(5)：待反应完成后将制作好的Ti纳米电极取出，放入100～250g/l的硫酸铜和60～180g/l硫酸组成的混合溶液中，铜板为阳极，Ti纳米电极为阴极，在设定电流0.01‑0.3A的条件下，氧化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；所述在阳极的表面形成微观纳米管结构，其电极表面纳米管形成的原理是：1)形成Ti纳米电极基底：在施加电压的瞬间，阳极表面附近的水电离产生O^2‑，同时钛快速溶解，阳极电流增大产生大量Ti⁴⁺，产生的Ti⁴⁺与O^2‑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，小孔的密度不断增加，最后均匀分布在Ti极板表面形成有序结构，其反应式为下式(1)—(4)；2)形成Cu/Ti双层纳米电极：在直流电源的作用下，电流通向阳极，阳极铜板不断失去电子氧化成金属离子扩散到溶液中(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)；整个过程发生的主要化学反应如下：H₂O→2H⁺+O^2‑   (1)Ti‑4e→Ti⁴⁺   (2)Ti⁴⁺+2O^2‑→TiO₂   (3)TiO₂+6F^‑+4H⁺→TiF₆^2‑+2H₂O   (4)Cu²⁺+2e^‑→Cu   (5)