【摘要】：由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用氮肥以及工業(yè)廢水和城市污水不達(dá)標(biāo)排放等問題的存在,導(dǎo)致地下水中硝酸鹽污染問題日益嚴(yán)重,已對(duì)人類飲用水安全造成了較大影響。電化學(xué)方法因具有處理效率高、反應(yīng)速率快、占地面積小和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。然而,傳統(tǒng)的電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)位點(diǎn)少,無法實(shí)現(xiàn)硝酸鹽高效去除,同時(shí)存在副產(chǎn)物積累、系統(tǒng)能耗較高以及二次污染等問題,限制了其實(shí)際應(yīng)用。本研究通過采用極化鐵絲網(wǎng)強(qiáng)化、陽/陰極極板面積比率調(diào)節(jié)、電化學(xué)與吸附耦合、摻硼金剛石電極改性等方法,對(duì)電化學(xué)硝酸鹽還原系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了研究,并探究了電極的電化學(xué)行為、硝酸鹽及副產(chǎn)物去除性能及機(jī)理,為提升和優(yōu)化電化學(xué)除硝酸鹽技術(shù)提供理論依據(jù)。本研究將2片鐵絲網(wǎng)串聯(lián)形成三維多孔鐵陰極,同時(shí)在鐵陰極和Ti/IrO_2-Pt陽極之間加入3片鐵絲網(wǎng),構(gòu)建了鐵絲網(wǎng)強(qiáng)化的三維多孔鐵電極電化學(xué)除硝酸鹽系統(tǒng)。三維多孔鐵陰極具有較大的比表面積和較低的阻抗,可將硝酸鹽還原效率提高至90%。此外,陰、陽極間插入的鐵絲網(wǎng)被極化,將電化學(xué)還原與鐵化學(xué)還原作用相結(jié)合,有效增加了系統(tǒng)內(nèi)硝酸鹽還原位點(diǎn),將硝酸鹽還原效率提高至99%,并使系統(tǒng)能耗降低至34.82 kWh/n-nitrate-N。針對(duì)以Cu-Zn為陰極、Ti/IrO_2-Pt為陽極的電化學(xué)系統(tǒng),將陽/陰極極板面積比率依次調(diào)節(jié)為1.00、0.46、0.23和0.12時(shí),陽極對(duì)副產(chǎn)物的直接電化學(xué)氧化能力得以提高,而由于陽極氧化位點(diǎn)的減少,1.0 g/L NaCl添加條件下溶液中有效氯產(chǎn)量從398.5降低至132.5 mg-Cl/L,可保證副產(chǎn)物完全被去除的同時(shí)削弱有效氯對(duì)硝酸鹽還原的抑制作用,從而提高了系統(tǒng)的硝酸鹽電化學(xué)還原能力。構(gòu)建了鐵顆粒與沸石顆�；旌咸畛涞碾娀瘜W(xué)-吸附協(xié)同處理系統(tǒng),并利用響應(yīng)面法(RSM)和Box-Behnken設(shè)計(jì)(BBD)方法對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化得到系統(tǒng)最佳運(yùn)行條件,為鐵顆粒填充量19.74 g、沸石顆粒28.19 g和電流密度18.72 mA/cm~2,在此條件下硝酸鹽還原效率達(dá)到95%(硝酸鹽初始濃度50 mg-N/L)且副產(chǎn)物積累量較少,電解與沸石吸附的協(xié)同作用可提高銨根離子向陰極的定向遷移速率,沸石吸附氨氮能力得以提升,克服了傳統(tǒng)電化學(xué)系統(tǒng)為避免生成氨氮需投加NaCl的難題。對(duì)具有不同表面終端形態(tài)和硼摻雜水平的硼摻雜金剛石(BDD)電極的硝酸鹽電化學(xué)還原性能研究結(jié)果表明,相比于金屬電極的硝酸鹽還原效率,硼碳比率(B/C)為1.0%且具有氫終端的BDD(CR-BDD)電極對(duì)氮?dú)獾倪x擇性高達(dá)44.5%。CR-BDD電極的C-H鍵可作為活性位點(diǎn)促進(jìn)NO~-_(3(ads))形成,且其表面的疏水性可抑制電解析氫反應(yīng)(HER)過程,有利于硝酸鹽還原,同時(shí),BDD電極表面H_((ads))含量較低,可抑制硝酸鹽向氨氮轉(zhuǎn)化,進(jìn)而提高氮?dú)膺x擇性。本研究所構(gòu)建的不同類型電化學(xué)系統(tǒng)可高效去除地下水中的硝酸鹽及其副產(chǎn)物,為電化學(xué)去除硝酸鹽污染技術(shù)的發(fā)展提供一條新思路。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X523
【圖文】：

極作為陰極還原硝酸鹽，對(duì)比研究 BDD 與金屬材料對(duì)硝酸鹽的還原性能及產(chǎn)物分布。1.6.2 技術(shù)路線本研究技術(shù)路線如圖 1-1 所示，圍繞電化學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建及機(jī)理探討，開展電化學(xué)硝酸鹽還原系統(tǒng)構(gòu)型研究，并進(jìn)行硝酸鹽與副產(chǎn)物去除性能及機(jī)理分析。通過對(duì)陰極結(jié)構(gòu)改進(jìn)和電極的裝配方式優(yōu)化，構(gòu)建鐵絲網(wǎng)強(qiáng)化的三維多孔陰極電化學(xué)系統(tǒng)，提高硝酸鹽還原效率；通過減小陽極面積構(gòu)建陽/陰極極板面積比率可調(diào)式電化學(xué)系統(tǒng)，減少電化學(xué)氧化副產(chǎn)物過程中的有效氯積累量，削弱有效氯對(duì)硝酸鹽還原過程的抑制作用，從而進(jìn)一步提高硝酸鹽還原效率；同時(shí)，將電化學(xué)和吸附結(jié)合構(gòu)建沸石和鐵顆�；旌咸畛涞奈�-電化學(xué)協(xié)同系統(tǒng)，在無 NaCl 投加條件下同時(shí)去除硝酸鹽及其副產(chǎn)物；進(jìn)而利用摻硼金剛石（BDD）電極構(gòu)建電化學(xué)系統(tǒng)，以提高氮?dú)獾倪x擇性，實(shí)現(xiàn)硝酸鹽污染的無害化去除。

強(qiáng)化的三維多孔鐵陰極電化學(xué)除硝酸鹽系統(tǒng)示意圖（陰網(wǎng)、三維多孔鐵絲網(wǎng)；陽極：Ti/IrO2-Pt）/IrO2-Pt 為陽極材料（IrO2: 78 wt%; Pt: 22 wt%，尺寸為 15 cm × 4.3 cm（長(zhǎng)×寬），極板面積為 × 4.3 cm）（Toho Tech company, 日本）、鐵絲網(wǎng)鐵電極作為陰極。其中，三維多孔鐵電極由 2 至絲網(wǎng)相互間隔 5 mm。構(gòu)成鐵絲網(wǎng)的鐵絲直徑為 mm（長(zhǎng)×寬），網(wǎng)孔面積 36 mm2，每片鐵絲網(wǎng)長(zhǎng)×寬），其有效反應(yīng)面積為 13.81 cm2，計(jì)算方*n1=13.77 cm2*n2=13.85 cm22

用 2 片以上鐵絲網(wǎng)串聯(lián)構(gòu)建三維多孔陰極會(huì)增加硝酸鹽還原能耗，且硝酸鹽還原效率提高不顯著，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，利用 2 片鐵絲網(wǎng)串聯(lián)構(gòu)建三維多孔陰極較為合適。利用鐵板和鐵絲網(wǎng)作為陰極，電解 100 min 后氨氮濃度逐漸上升至26.22 和 28.94 mg-N/L，之后保持不變（圖 2-2 A、2-2 B）。利用三維多孔鐵電極作為陰極電解 80 min 后氨氮濃度增加至 31.38 mg-N/L，而后逐漸降低至 24.36mg-N/L（圖 2-2 C）。在利用不同陰極電解過程中幾乎無亞硝酸鹽產(chǎn)生。

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本文編號(hào)：2802134