纳米电极在地下水氮素去除过程中固液两相界面的化学/电化学作用机制及硝化反硝化机理研究

Nitrogen compounds contamination of groundwater has become an increasing problem in our country. Researchers have focused on the electrochemical denitrification due to its high treatment efficiency, the small area occupied by the plant and easy control, especially the study with nano-electrode. However, as knowledge of the mechanism of electrochemical denitrification, especially the electrochemical behavior at the solid-liquid interface during the reaction is indistinct yet, which lead to the problem such as the production of by-products still unsolved and restrict the application of electrochemical method. In this work, nitrogen-related compound from groundwater and nano-electrode are used in order to study the formation and pattern of electrical double layer at the solid-liquid interface. The aim of this work is to clarify the mechanism of electrochemical denitrification during the activation step, and set up a module with the parameters of electrical double layer potential, electric field intensity, ion strength, and reaction products. Moreover, to find proper condition to perform both cathodic reduction of nitrate and anodic oxidation of ammonia and nitrite in a singular reaction system. And finally, to support the technology of completely and unharmfully remove nitrate nitrogen-related compounds from groundwater and ensure the safety of drinking water.

目前，我国地下水中存在不同程度的氮素污染，电化学法作为一种去除效率高、占地少、易控制的地下水氮素处理方法，越来越受到研究者的关注，其中特别是采用纳米材料作为电极，是目前相关研究的热点。但由于目前相关电化学硝化反硝化理论还不完善，特别是采用纳米电极固液两相界面的化学/电化学作用机制还不清晰，副产物氨等的产生机制还未明晰，对该方法的相关应用也缺乏足够的理论支持。因此，本研究以典型的地下水中氮素污染物特别是硝酸盐氮为研究对象，采用开发的纳米材料电极，通过研究纳米电极固液两相界面双电层中紧密双层和分散双层的形成和特性，揭示电极-电解质两相界面中发生的电化学硝化反硝化反应核心步骤即迁越骤中氮素物质的产生和转化机制，建立反应过程中双电层电势与外部电场、离子强度、反应产物的理论模型，并构建阳极氧化和阴极还原的耦合作用机制，进而为无害化去除地下水中氮素污染，保障饮用水安全提供必要的理论依据和支持。

本课题针对目前我国地下水中影响范围最大的氮素污染还不能有效去除的关键问题，以典型的地下水中硝酸盐为研究对象，以开发的纳米电极材料采用电化学法去除地下水中氮素污染物，获得的主要结果如下：.（1）以价廉易得的金属Ti板作为制作电极的优选材料，利用阳极氧化法制备了TiO2纳米电极，并结合电镀法使用活性较高的金属Pd离子、Cu离子、Zn离子作为活性介质对Ti纳米基底进行修饰改性，成功开发Pd-TiO2、Cu-TiO2、Cu-Pd-TiO2、Cu-Zn-TiO2四种新型高效多金属纳米电极，用于地下水中硝酸盐的去除，其处理效率比传统Ti电极提高了3-4倍，建立了纳米电极的开发方法。.（2）通过分析电化学系统中电极的电化学特性，采用塔菲尔曲线、循环伏安法、计时电流法等电化学方法，研究固体-液体界面的电子双层结构的形成和模式，揭示电极-电解质两相界面中发生的电化学硝化反硝化反应中氮素物质的产生和转化机制，为该电化学系统反应器的构建及其在硝酸盐污染地下水处理中的实际应用提供依据。.（3）利用纳米电极构建高效强化电化学系统，分别采用TiO2、Pd-TiO2、Cu-TiO2、Cu-Pd-TiO2、Cu-Zn-TiO2纳米电极做阴极，Pt电极做阳极，研究了纳米电极在不同工艺条件下固-液两相界面的电化学行为机制，以及电化学硝化反硝化过程中氮素物质（氨、氮气和亚硝酸盐）的转化行为，揭示了地下水中氮素去除的转化机制，阐明了电化学行为过程中阳极氧化和阴极还原的协同作用。并利用响应曲面法优化研究各种因素对电化学还原去除硝酸盐的影响，通过数学方法和统计方法相结合的手段建立模型。.本研究开发了多种新型纳米电极，将其应用于无害化去除地下水中硝酸盐的研究，具有较强的实用性，为有效解决我国地下水硝酸盐污染问题提供了重要的理论依据和技术支持。完成了项目的研究内容，达到了预期目标。