电化学还原水中硝酸根的铜电极改性研究

发布时间：2017-12-23 00:07

本文关键词：电化学还原水中硝酸根的铜电极改性研究　出处：《北京化工大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：地表水及地下水中日益严重的硝酸盐污染已经影响了世界范围内饮用水质安全,EPA规定饮用水中硝酸根浓度应不高于10 mg/L(以N03-N计)。水中硝酸根处理技术包括生物法、化学还原法、电化学还原法、物理化学法等。电化学还原水中硝酸根运行费用低且对硝酸根去除彻底,受到了科研工作者的广泛关注。金属铜材料是一种有效的硝酸根电化学还原阴极材料,而通过在不同基底材料上电镀一层新鲜的铜表面,更可以达到增加电极表面积并提高电极表面硝酸根还原活性的作用,然而镀铜层在反应过程中存在易氧化失活等缺点,其限制了此材料在水处理领域的应用。本实验中,首次提出通过对镀铜电极进行灼烧处理,提高其还原硝酸根的活性及电极稳定性。实验首先使用Cu片电极、Cu/Cu及Cu/Ni还原水中硝酸根,发现两种镀铜电极还原硝酸根效果均超过未改性的Cu片电极,随后,使用灼烧Cu/Ni电极还原水中硝酸根,发现此电极在-0.8 V～-2.0V范围内还原硝酸根效果超过镀铜电极。LSV扫描测试结果同样显示,硝酸根在灼烧Cu/Ni电极表面还原电位比镀铜电极及Cu片电极正移约250 mV,硝酸根还原峰电流提高20%-50%,证明硝酸根在灼烧Cu/Ni电极表面还原活性更高。对此灼烧Cu/Ni电极制备方法进行了优化,得出的最优电极制备方法为在300 oC条件下灼烧经过-1 A恒电流镀铜10 min制备的Cu/Ni电极0.25 h,对此电极进行表征处理后可知,此电极表面存在纳米颗粒及纳米线,其增加了电极表面积,提高了电极表面对硝酸根还原的催化活性。随后,本文考察了不同电位下三种铜镍合金(Cu：Ni=90：10、80：20、70：30)做阴极还原水中硝酸根的效果。通过实验可知,合金材料还原硝酸根效果未明显超过金属Cu片电极,证明本实验中使用的铜镍合金并非理想的阴极还原硝酸根电极材料。随后,通过对三种铜镍合金进行灼烧改性,发现灼烧后的铜镍合金材料还原硝酸根效果明显提高,其还原硝酸根效果与两种镀铜电极相似,且铜镍合金材料在灼烧中能保持稳定,不会出现电极破碎等问题。实验中对使用的几种铜电极材料还原硝酸根的产物进行了分析,证明各种电极阴极还原硝酸根的产物均为亚硝酸根及氨氮,且灼烧Cu/Ni电极还原硝酸根效果最好,因此,本文中使用灼烧Cu/Ni电极还原硝酸根,测试电极长时间还原硝酸根的效果,证明电极可以在48 h内稳定还原硝酸根,且反应过程中硝酸根还原电流效率可以保持稳定。此灼烧Cu/Ni电极同样可以快速检测水中的硝酸根浓度,经过测试发现,此电极可以准确检测浓度为4.98 mg/L～90.9 mg/L范围内的N03--N浓度。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X52;X703

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