一种Ti-石墨烯电极高效去除地下水中硝酸盐的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水中硝酸盐处理技术领域，具体涉及一种T1-石墨烯电极高效去除地下水中硝酸盐的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着人类生活的丰富与社会的发展，水中硝酸盐的污染已不容小觑。作为一种最为常见的非点源污染物，硝酸盐严重影响了地下水的应用。世界卫生组织(WHO)《饮用水水质标准》和我国《生活饮用水卫生标准》都规定硝酸盐氮最高限值为10mg/L。然而，在美国，约20 %的地下水井水和10 %的溪流所含硝酸盐超过了饮用水标准。西班牙、英国、德国、法国和意大利也分别有约80 %、50 %、36 %、34 %和32 %的地下水水体硝酸盐浓度超过25mg-N/L。在我国，大部分地区的地下水不同程度受到硝酸盐污染，全国69个地下水采样点中，有37个采样点水样中的硝酸盐浓度含量超过50mg/L，个别地区的硝酸盐浓度甚至超过100mg-N/L。摄入过多的硝酸盐威胁人类健康，会使得抗甲状腺素的合成受阻，易引起地方性甲状腺肿；而硝酸盐转化过程中产生的亚硝胺，则会致癌，致畸，致突变，诱发各种肿瘤疾病，严重危害人类健康。
[0003]目前，去除水中硝酸盐的方法主要包括物理法，化学法和生物法等。其中，物理法是将硝酸盐转移到其它介质或变成浓缩液，而处理转移后的浓缩液还需进一步处理，并未从根本上去除硝酸盐。生物反硝化法是目前实际应用最为广发的一种硝酸盐去除发，但其处理含硫浓度较高的水体时会造成二次污染，另外，剩余污泥量较大，需要在处理，增加环境压力。化学法中催化还原法可有效将硝酸盐氮转化为氮气，但反应所用的氢气价格昂贵且不便于存储运输，由于其操作条件难以控制而在实际应用中受到限制。
[0004]相较而言，电化学法是通过氧化还原反应，以电子为参与物，直接或间接地进行化学物质转换，将硝酸盐氮转化为氮气。电化学法以其去除率高、效果稳定、装置简单、快速高效而受到学者的关注。石墨烯作为近些年来备受关注的二维材料，具有优异的光学、热学、电学及机械性能，在复合材料、催化剂载体和环境修复等领域有广泛应用前景。尤其是其优异的电子传导性及超大的比表面积，用于电化学法中与电极结合，可有效提高极板的电子传导性，促进极板与处理水体的有效接触。
【发明内容】
[0005]为了实现上述石墨烯材料与电极的结合，本发明的目的在于提供一种T1-石墨烯电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用氧化石墨烯作为辅助电制作的T1-石墨烯电极，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。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种T1-石墨烯电极高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用以氧化石墨烯为辅助制作的T1-石墨烯电极，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:
[0008]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 ;
[0009]步骤2:采用以氧化石墨烯为辅助制作的T1-石墨烯电极为阴极，采用Ti/Pt电极为阳极；
[0010]步骤3:将硝酸盐污染水、阴极和阳极放入电解槽中，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?300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:
[0011]阴极反应:
[0012]NO3 +H20+2e = NO 2 +20H (I)
[0013]NO3 +3H20+5e = 1/2N 2+60H (2)
[0014]NO2+5H20+6e = NH 3+70H (3)
[0015]2N02 +4H20+6e = N 2+80H (4)
[0016]2Hz0+2e = H 2+20H (副反应) (5)
[0017]所述以氧化石墨烯为辅助制作的T1-石墨烯电极的制作方法如下:
[0018]步骤1:氧化石墨烯的制备步骤如下:
[0019]步骤1.1:将鳞片石墨粉加入烧杯；
[0020]步骤1.2:冰水浴搅拌下，向烧杯中加入质量比鳞片石墨粉=NaNO3S 2:1的NaNO 3与使鳞片石墨粉浓度为43.5mg/mL的H2SO4,随后缓慢加入质量比鳞片石墨粉=KMnO4S 1:3的 KMnO4;
[0021]步骤1.3:5分钟后，去除冰水浴并将体系加热至35°C保温30分钟；
[0022]步骤1.4:缓慢加入使鳞片石墨粉浓度为21.7mg/mL的去离子水水至烧杯中，并搅拌15分钟；
[0023]步骤1.5:加入60°C的质量浓度为3% H2O2水溶液，直至气泡消失；
[0024]步骤1.6:离心沉淀物至pH为3-4，冷冻干燥，得到氧化石墨稀粉末；
[0025]步骤2:T1-石墨烯电极的制作具体包括如下步骤:
[0026]步骤2.1:用100?180目的砂纸打磨Ti极板；
[0027]步骤2.2:将打磨好的Ti极板，用去离子水冲洗2?5遍；
[0028]步骤2.3:将冲洗后的Ti极板吹干待用；
[0029]步骤2.4:采用泡沫膜模板法处理电极；具体为:采用氧化石墨烯为辅助，采用步骤3吹干后的Ti极板为模板，配制2.0?20.0mg/mL的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中加入十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂，使十二烷基苯磺酸钠溶液浓度为0.02mg/mL ;将Ti极板垂直或水平浸入氧化石墨烯溶液作为模板，浸泡I?30min ;轻轻取出经自然晾干后，在Ti极板的表面会形成干燥的氧化石墨烯泡沫薄膜，其极板表面薄膜形成的原理是:1)泡沫薄膜作为一种两亲分子有序排列而成的二维组装结构，通常是通过往表面活性剂溶液中鼓入气泡或是在空气/水界面扩大气泡而获得的；2)干燥泡沫薄膜在间隙中的水被排到空气中后得到；3)含有两亲性化合物溶液的孔洞经蒸发之后，得到干燥薄膜；
[0030]步骤2.5:待反应完成后将形成的具有泡沫薄膜的Ti极板取出，自然晾干后，即得到成品T1-石墨稀电极。
[0031]电解去除硝酸盐的步骤3所述的电解槽的形状为圆柱形或四方柱形，阳极和阴极间用高分子离子交换膜隔开，使电解槽成为多槽形式；或阳极和阴极间不放置高分子离子交换膜，使电解槽成为单槽形式。
[0032]和现有技术相比较，本发明具有如下优点:
[0033]I)所有处理均在单一的反应装置中完成，易于控制。
[0034]2)采用氧化石墨烯作辅助制作的T1-石墨烯电极，可提高电极的电子传导性，使硝酸根离子更充分的与电极表