电催化反硝化处理水中硝酸盐的研究进展

DOI ：10.19965/ki.iwt.2022-1075第 44 卷第 1 期2024年 1 月Vol.44 No.1Jan.，2024工业水处理Industrial Water Treatment 电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展赵慧1，王富东2，钱光磊1，雷太平1，任春燕1，谢陈鑫1（1.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131；2.广东石化有限责任公司，广东揭阳 515200）[ 摘要 ] 硝酸盐作为地表和地下水中常见的污染物，对环境造成严重污染，电催化还原硝酸盐制氨可促进水体中的氮循环。

综述了用于硝酸盐还原制氨的过渡金属、贵金属及非金属催化剂的研究进展，对该领域的大量实例进行了收集，分析了电极材料具有高效率的原因，综述了电催化还原硝酸盐制氨的反应机理、电极制备方式、操作条件、硝酸盐去除率及选择性；对电极电势、硝酸盐浓度、pH 、电流密度、支持电解质等影响因素进行了分析，比较了电催化还原硝酸盐制氨的反应器形式及生产出产品氨的生产工艺，并对实例中的生产能耗进行了对比；最后，对该领域的挑战和前景进行了展望。

［关键词］ 电催化还原；硝酸盐；废水处理［中图分类号］ X703 ［文献标识码］A ［文章编号］ 1005-829X （2024）01-0060-13Research progress of electrocatalytic reduction ofnitrate in wastewater to ammoniaZHAO Hui 1，WANG Fudong 2，QIAN Guanglei 1，LEI Taiping 1，REN Chunyan 1，XIE Chenxin 1（1.CenerTech Chemical Research and Design Institute Co.， L td.， T ianjin 300131，China ；2.Guangdong Petrochemical Co.， L td.， J ieyang 515200，China ）Abstract ：As a common pollutant in surface and groundwater ，nitrate causes serious pollution to the environment. Electrocatalytic reduction of nitrate to ammonia promotes nitrogen cycle in water. The research progress of transition metal ，noble metal and non -metal catalysts for nitrate reduction to ammonia was reviewed. A large number of cases in this field were collected ，and the reasons for the high efficiency of electrode materials were analyzed. The reactionmechanism ，electrode preparation method ，operating conditions ，nitrate removal rate and selectivity of electrocata⁃lytic reduction of nitrate to ammonia were reviewed. The influencing factors such as electrode potential ，nitrate con⁃centration ，pH ，current density and supporting electrolyte were analyzed. The reactor form of electrocatalytic reduc⁃tion of nitrate to ammonia and the production process of product ammonia were compared. The production energyconsumption in the example was compared. Finally ，the challenges and prospects in this field were discussed.Key words ：electrocatalytic reduction ；nitrate ；wastewater treatment氮作为肥料中的一种营养元素被广泛应用并以硝酸铵的形式存在，其中NH 4+和NO 3-均来自于Haber -Bosch 工艺生产的氨〔1〕。

电催化硝酸盐还原研究进展
向虹宇;楚英豪
【期刊名称】《当代化工研究》
【年(卷),期】2024()7
【摘要】随着工农业生产的发展,水体中硝酸盐与日俱增,给生态环境和人体健康造成严重威胁。

电催化硝酸盐还原技术具有设备尺寸小、易于操作、绿色高效等特点。

同时耦合水电等清洁能源驱动,符合“碳达峰碳中和”理念,是一种极具发展前景的
水处理技术。

本文重点介绍电催化硝酸盐还原的反应机制和路径,围绕单金属、复
合金属、非金属催化剂的研究实例,总结当前催化剂的设计与优化,同时探讨其还原
效率的影响因素,为研究高活性及稳定性的催化材料提供理论依据。

【总页数】4页(P40-43)
【作者】向虹宇;楚英豪
【作者单位】四川大学建筑与环境学院
【正文语种】中文
【中图分类】O645.1
【相关文献】
1.电催化还原处理硝酸盐的电极材料研究进展
2.基于铂系金属电极的电催化还原硝酸盐研究进展
3.电催化法还原硝酸盐废水的研究进展
4.电催化还原废水中硝酸盐
制氨的研究进展5.铜基材料电催化还原硝酸盐制氨研究进展
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电去离子电催化一体技术去除地下水硝酸盐的研究电去离子电催化一体技术去除地下水硝酸盐的研究地下水是一种重要的水资源，但由于人类活动和自然因素的影响，地下水中常常出现硝酸盐的超标问题。

硝酸盐的超标不仅对地下水的利用造成了影响，还会对人体健康产生一定的危害。

因此，需要探索出一种高效、低成本的方法去除地下水中的硝酸盐。

电去离子技术是一种常用的地下水处理方法，可以有效去除硫酸盐、氯化物和硅酸盐等物质。

然而，目前的电去离子技术在去除硝酸盐方面效果不佳，往往需要耗费大量的能源。

电催化技术则是一种新兴的水处理技术，它通过在阳极上形成高氧化还原电位，从而实现高效的氧化反应。

将电去离子和电催化两种技术结合起来，可以通过去离子过程去除硝酸根离子，同时通过电催化过程将硝酸离子氧化为无害的氮气。

在电去离子电催化一体技术中，一个关键问题是如何选择合适的电极材料。

电极材料的选择需要兼顾电催化活性和去离子效果。

对于阳极材料，金属氧化物一般具有较好的催化活性，例如RuO2、IrO2和TiO2等。

而对于阴极材料，活性炭是一种常用的选择，因为活性炭能够有效吸附硝酸根离子，并加强反应动力学。

此外，电池的设计也需要考虑废液循环以及电流密度的控制，以提高反应效率。

在实验中，我们选择了RuO2和活性炭作为阳极和阴极材料，对地下水中的硝酸盐进行处理。

结果显示，该电去离子电催化一体技术能够快速去除地下水中的硝酸盐，并且去除率高达90%以上。

此外，该技术还能够将硝酸离子氧化为无害的氮气。

然而，也需要注意到该技术还存在一些问题。

首先，电催化过程中产生的氧气可能会降低介质的pH值，导致地下水中其他物质的溶解度增加。

其次，电去离子电催化一体技术需要消耗大量的电能，造成能源浪费。

综上所述，电去离子电催化一体技术是一种有潜力的地下水硝酸盐去除技术。

尽管还存在一定的问题，但通过优化电极材料的选择、电池的设计以及废液循环等措施，可以提高其效率并降低成本，使之成为一种可行的地下水处理方法。

电化学激励形成水处理中硝酸盐的分解随着工业的快速发展，水资源日益稀缺，同时也受到污染的威胁。

水是人类赖以生存的基本需求，但是现在许多地方的水质已经受到了污染，其中硝酸盐的超标问题十分突出。

硝酸盐对人体健康有一定的危害，如果长期饮用超标的水，会对人体肝肾等器官造成损害。

因此，对水中的硝酸盐进行有效的处理是非常必要的。

在这方面，电化学技术的应用已经被广泛研究，并且已经取得了良好的应用效果。

本文将阐述电化学激励形成水处理中硝酸盐的分解，同时探讨其技术实现的原理和优缺点。

一、电化学技术处理硝酸盐的优势电化学技术是指利用电化学反应的原理进行处理污染物的技术。

在水处理中，电化学反应常用于水中硝酸盐的处理。

相比传统的处理方法，电化学技术有以下优势：1、效果好在一定的条件下，电化学反应可以快速达到硝酸盐的降解，同时可以保证处理效果的稳定性和可靠性。

实验结果表明，电化学处理只需要短短的几分钟就可以达到较好的处理效果。

2、操作方便电化学反应不需要添加其他的化学药剂，因此具有操作简单、易于控制的优势。

与传统的处理技术相比，电化学技术更加环保无污染，符合可持续发展的要求。

3、适用范围广电化学技术可以处理各种水源中的硝酸盐，并且可以灵活地进行参数调整以适应不同的处理要求。

另外，电化学技术还可以适用于工业废水、农业面源污染的治理等领域。

二、电化学处理硝酸盐的原理电化学反应的基本原理是利用外加电压来推动化学反应进行。

在水处理中，硝酸盐酸化的反应式如下：HNO3 + H2O = H3O+ + NO3-这个反应是可逆的，而电化学反应的作用是改变反应方向，使得硝酸盐被还原并分解为氮气和水。

电化学反应的分解式如下：2 NO3- + 6 H3O+ + 6 e- → N2 + 9 H2O可以看到，在电化学反应的作用下，硝酸盐可以被还原，从而分解为不具有污染性的氮气和水。

因此，电化学技术可以起到很好的处理效果。

三、电化学处理硝酸盐的步骤电化学技术的处理步骤包括预处理、反应和后处理三个步骤。

电催化硝酸盐还原是一项关键的研究课题，它在环境保护和能源领域具有重要意义。

异质结构电催化剂是当前研究的热点之一，其具有高效、低成本、稳定性好等特点，因此备受关注。

本文将介绍cuo co异质结构电催化硝酸盐还原的相关研究进展，并探讨其在环境保护和能源领域的应用前景。

一、cuo co异质结构电催化硝酸盐还原的研究现状目前，针对cuo co异质结构电催化硝酸盐还原的研究已经取得了一定进展。

研究表明，cuo co异质结构电催化剂具有优异的电催化活性和稳定性，能够高效地将硝酸盐还原为无害的氮气和水。

cuo co异质结构电催化剂的制备方法也得到了不断改进和优化，使其在催化还原硝酸盐的过程中表现出更佳的性能。

二、cuo co异质结构电催化硝酸盐还原的机理探讨关于cuo co异质结构电催化硝酸盐还原的机理，学者们进行了深入的探讨和研究。

研究发现，cuo co异质结构电催化剂在催化硝酸盐还原的过程中，主要通过吸附、催化活化和电子转移等步骤实现反应。

其中，cuo和co两者之间的协同效应对催化效果起到了至关重要的作用，使其具有卓越的催化性能。

三、cuo co异质结构电催化硝酸盐还原在环境保护中的应用前景cuo co异质结构电催化硝酸盐还原在环境保护中具有广阔的应用前景。

由于硝酸盐是一种常见的污染物，存在于土壤、地下水和工业废水中，对环境和人体健康造成了严重的危害。

利用cuo co异质结构电催化剂高效降解硝酸盐成为一种重要的净化手段。

未来，cuo co异质结构电催化硝酸盐还原技术有望在环境污染治理领域得到广泛应用。

四、cuo co异质结构电催化硝酸盐还原在能源领域中的应用前景除了在环境保护领域，cuo co异质结构电催化硝酸盐还原还具有重要的能源应用前景。

在传统的硝酸盐还原反应中，通常需要消耗大量的能源，而cuo co异质结构电催化剂能够高效地催化硝酸盐还原，降低了能源消耗，具有节能环保的特点。

催化硝酸盐还原还能产生一定量的氮气，为氮气能源的开发利用提供了新的途径。

催化还原法脱除水中硝酸盐的研究作者：彭勃何绪文来源：《科协论坛·下半月》2012年第11期摘要：目前，我国水体中的硝酸盐污染越来越严重，硝酸盐会引起婴儿高铁血红蛋白血症，还会生成具有致癌作用的亚硝胺类物质。

因此，急切需要开发去除水体中硝酸盐的方法，而化学催化还原法是目前最有前途的一种方法。

从催化还原法去除硝酸盐的原理、研究进展和存在问题等几方面进行了阐述。

关键词：硝酸盐催化还原法研究进展中图分类号：O643 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）011-060-021 前言随着人口增长和经济快速发展，人类生产和生活过程中产生大量含氮污染物，如氮素化肥的使用、污水灌溉、含氮工业废水的渗漏、生活污水和大气沉降过程中都会含有大量的含氮物质，打破了自然界中氮元素的正常循环，使自然界各种水体硝酸盐大大超标。

硝酸盐氮本身易被生物体吸收，也易排泄，不会构成直接危害，但它在人体低氧的环境中会还原成亚硝酸盐氮，亚硝酸盐会使血液中正常的血红蛋白氧化，不具有输送氧能力，使身体出现头晕、恶心、呼吸困难、乏力、腹泻等症状，甚至死亡。

另外，水体中的硝酸盐和亚硝酸盐还可以与胺、酰胺、氰胺类含氮有机物反应，生成具有致癌作用的亚硝胺基类物质。

1956年，我国华东地区就有了地下水被硝酸盐污染的报道。

另外，1995年张维理、田哲旭等对我国北方14个县市的地下水和饮用水情况进行调查，发现北方一些农村和城镇的地下水和饮用硝酸盐污染情况严重，主要是由于过度使用氮肥造成的。

2000年对太湖的水质情况调查发现，太湖中硝酸盐的污染情况严重，已对人类的身体健康情况构成了严重的威胁。

鉴于水体中硝酸盐污染的情况日益严峻，因此必须采取有效措施来控制、防治水体中硝酸盐的污染。

目前去除水体中硝酸盐氮的方法大致可以分为物理法、生物法和化学法，其中化学催化方法去除硝酸盐技术反应速度快，能适应不同反应条件，易于运行管理。

2 催化还原法去除水体中硝酸盐的原理水体中硝酸盐氮主要通过催化加氢来去除的，其反应机理主要是由Prusse等人提出的双金属催化还原机理。

电催化同步降解水中硝酸盐氮和有机氯化物的研究全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：电催化技术是一种利用电能作用于特定催化剂来促进化学反应的技术。

在环境治理领域，电催化技术被广泛应用于水处理，特别是对水中的有机污染物和无机污染物进行高效降解。

本文将研究电催化同步降解水中硝酸盐氮和有机氯化物的方法及其应用。

电催化同步降解硝酸盐氮和有机氯化物的机理是通过将电能转化为化学能，促使催化剂在电场作用下加速反应速率。

透过电极表面产生的电子和阳离子，可以引发催化剂表面的还原和氧化反应，从而有效地将硝酸盐氮和有机氯化物转化为无害的物质。

电催化技术还能降低降解过程的能耗和产生的次生污染物。

研究表明，不同类型的电极材料和催化剂对硝酸盐氮和有机氯化物的降解效率有着显著影响。

氧化铁、硫化镍等金属催化剂都能够有效催化水中硝酸盐氮的还原反应，而活性炭、氧化物等则适合用于有机氯化物的氧化降解。

调节电极结构和电压也可以进一步提高降解效率。

在实际应用中，电催化同步降解硝酸盐氮和有机氯化物可以通过组合不同催化剂和优化操作条件来实现。

通过控制反应温度、电压、pH值等因素，可以有效提高降解效果并减少能耗。

还可以利用电催化技术与其他水处理技术相结合，如生物降解、紫外光催化反应等，以进一步提高水质处理的效率。

电催化技术是一种具有广阔应用前景的水处理技术，可以高效降解水中硝酸盐氮和有机氯化物。

未来，随着电催化材料和工艺的不断优化，相信电催化技术将在环境治理领域发挥越来越重要的作用，为改善水体质量和保护生态环境做出重要贡献。

【字数：432】第二篇示例：1.电催化同步降解硝酸盐氮和有机氯化物的原理电催化是利用电化学基础原理，在电极表面引发电化学反应，实现物质的转化和降解。

在降解水中硝酸盐氮和有机氯化物方面，电催化技术通过引入外加电场，促进电极表面产生活性物种如自由基、过氧化物等，进而将硝酸盐氮和有机氯化物分解为无害的氮气、氧气和氯化物离子。

电极表面的催化剂可增强活性物种的生成和活性，提高降解效率。

·3·合成氨与尿素化 工 设 计 通 讯Ammonia and UreaChemical Engineering Design Communications第47卷第2期2021年2月1 概述氮是生物活性和自然循环的必须元素，也是脱氧核糖核酸（DNA ）的四种必须元素之一。

78％的大气由氮气组成。

但是，由于其化学惰性，氮气几乎不能与其他物质反应。

惰性氮气基本上是无用的，只有将其转化为氮化合物，氮气才能在生物圈的氮循环中呈现出有意义的活性。

工业固氮产生的氮污染会造成水圈的恶化，水体中过量的氮化合物会导致富营养化，导致赤潮和水生动物窒息。

第二个后果是反硝化过程中排放的一氧化二氮（N 2O ）转化为NO ，该温室气体会破坏的臭氧层，具有100a 的升温潜能，约为CO 2的300倍，N 2O 仅次于CO 2和甲烷（CH 4）的第三重要温室气体。

更重要的是，硝酸盐和亚硝酸盐更直接威胁人类健康。

过度摄入亚硝酸盐会导致人体高血压、蓝婴并发症、癌症等。

在农业发展较为广泛的国家和地区，土壤和地下水的硝酸盐和亚硝酸盐的污染极其严重。

部分地区的地下水硝酸盐含量已显著超出饮用水标准，严重威胁用水健康。

从化学的角度上，硝酸盐很容易被转化成为亚硝酸盐，成为对人体更加有害的化学物质。

然而，目前对硝酸盐和亚硝酸盐的工业处理仍然处于较为原始的方法。

其中常用的方法有：离子交换法、生物处理、反渗透法和电渗析法等。

这些传统方法有各自明显的缺陷，近年来，为了实现水中的硝酸盐或亚硝酸盐净化，电催化还原方法成为一种替代工业处理的新兴且更高效的方法。

相比而言，该催化方法可以将水溶液中的硝酸盐或亚硝酸盐还原成氮气或氨气。

氮气无毒无害且不溶于水，会随之逸出到空气中；而氨气则是农业中的重要肥料。

同时，电催化的方法不需要额外的复杂装置，而且稳定的催化剂能循环使用，极大节省经济成本。

因此，对电化学硝酸盐还原的研究进展进行了调查。

首先，讲述了硝酸盐电化学还原过程中涉及的机理。

化学催化还原地下水中硝酸盐的研究进展娄贺【摘要】化学催化还原相比较反硝化来说,拥有更快的反应速度,适合应用在处理分散给水中,是最具前景和最适合进行地下水硝酸盐脱硝的技术,这种技术的关键就是在控制反应方向的时候还能提高反应速度.本文主要分析了化学催化还原地下水中硝酸盐的反应情况以及机制.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】2页(P74-75)【关键词】化学;催化还原;地下水;硝酸盐【作者】娄贺【作者单位】克劳斯塔尔工业大学(德国)化学与电化学工程学院 999035【正文语种】中文【中图分类】T近年来随着不断发展社会经济和提高人们生活水平，大量提高污水排放量，迅速发展农业和养殖业，也会提高氮肥的使用，促使严重破坏自然循环，越来越严重的出现硝酸盐污染地下水的现象。

目前，国内已经不同程度的污染地下水，并且每年还在不断提高，基于此，研究化学催化还原地下水中硝酸盐就显得尤为重要。

上世纪八十年代开始发展和研究化学催化还原水中硝酸，最早提出还原剂为氢气的就是德国学者Vorlop，基于负载二元金属催化的影响下，能够把硝酸盐变为氮气。

化学催化还原水中硝酸的时候具备比较快速的反应，相比较反硝化酶催化技术来说，这种技术具备三十倍以上的催化活性。

因为可以在水温和地下水质情况下进行催化还原反应，如果还原剂为氢气不会严重出现二次污染水，基于此社会上也越来越重视这种工艺，并且这种技术是具备一定发展前景。

这种技术的关键就是需要控制反应方向和提高反应速度，因此急需研究稳定性能号、高效的催化剂。

1.催化剂的性质催化剂选择性和活性受到催化剂性质的严重影响，一般情况催化剂主要有载体、助催化剂、主催化剂，依据不同方式和组合进行制备，会影响催化剂性能。

硝酸盐一般催化的时候主要都是贵金属作为主催化剂，如，Ir、Rh、Pt、Pd等，选择性和活性最高的就是Pd。

助催化剂是辅助成分，一般来说本身没有活性，但是实际应用的时候能够在一定程度上改变催化剂形态和结构，所以能够达到改变催化性能的目的，辅助催化剂包括In、Zn、Cu、Ag等，明显改善催化效果的就是掺入锡、铜等金属。

电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展引言随着工业的快速发展，废水中含有大量的硝酸盐，严重影响水环境的质量。

硝酸盐是一种常见的污染物，具有较高的毒性和氧化性，对生物体和自然生态系统造成严重危害。

然而，硝酸盐也是一种重要的氮源，可以通过电催化反应还原为氨，进一步在农业领域进行利用。

本文将就电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展进行综述。

电催化还原废水中硝酸盐的原理电化学还原技术是指利用外加电压使废水中的硝酸盐转化为氨的一种方法。

该过程主要基于电极表面的氢气还原反应和硝酸盐的还原反应。

正常情况下，硝酸盐主要存在于废水中，通过外加电压加速电极表面的还原反应，使硝酸盐转变为氨。

这种电催化还原技术具有高效、环保、易于操作等特点，成为废水处理领域的一种重要研究方向。

关键参数的影响因素在电催化还原废水中硝酸盐制氨的过程中，存在一些关键参数会对反应效果产生影响，包括电流密度、电解质浓度、电极材料等。

首先，电流密度是控制反应速率的重要参数，当电流密度过高时，容易引发电极表面的氧化反应，降低氯化氨的产生效率。

其次，电解质浓度会影响溶液的电导率和整体电化学反应的速率。

一定范围内增加电解质浓度可以提高反应速率，但过高的电解质浓度会引起电解质的损耗和环境污染。

此外，电极材料的选择和制备也是影响反应效果的重要因素，常用的电极材料包括铜、银、铁等。

不同的电极材料具有不同的电化学性能和催化活性，因此对于特定反应体系的选择和优化具有重要意义。

技术挑战与发展前景虽然电催化还原废水中硝酸盐制氨技术具有巨大的应用潜力，但仍然存在一些技术挑战需要克服。

首先，高效催化剂的设计和制备仍然是一个关键问题。

当前常用的电极材料在催化效率和稳定性方面仍有一定局限性，需要通过合理组合和表面改性等手段提高催化性能。

其次，反应机理的研究仍然相对不完善。

了解反应机理可以指导催化材料的设计和优化，提高反应效果。

此外，规模化应用和经济性也是技术发展的重要考量。

电催化降解硝酸盐的研究与展望摘要：电化学催化是个有效的降解硝酸盐的手段，本文综述了金属基催化剂、无机非金属、复合材料、等三种类型材料对电催化降解硝酸盐的影响，最后对电催还降解硝酸盐的应用前景进行了展望。

关键词：电催化; 硝酸盐降解; 金属基材料；无机非金属材料；复合材料一、前言人类活动的日益增多，水体中的硝酸盐含量不断提高，污染水体，进而威胁环境和人类健康[1]。

目前降解硝酸盐主要通过电渗析、生物脱氮和离子交换的方法，这些方式都存在或不经济或不够效率等问题。

电化学催化还原法是指在通过电化学反应装置，采用合适的阴极与阳极电极，再施加一个合适的电流或电压，在特定的实验条件（如温度、PH等）下，通过电子转移的方式，在阴极表面逐步还原硝酸盐，生成亚硝酸盐、氨氮化合物或N，从而降解水中硝酸盐的过程。

2电化学法反应器构造简易、操作简便、无须外加还原剂、反应快速高效，因此作为一种环境友好型处理技术，因此，电催化降解技术已成了绿色化学的新宠儿，利用电子作为绿色还原剂并降解水体中硝酸根的有效策略[2]。

本文主要从不同催化剂的种类：金属基催化剂、无机非金属催化剂、复合材料催化剂对电化学催化硝酸盐还原影响进行综述。

二、金属基催化剂金属材料是催化剂选择的热门，例如Fe、Cu、Ni、Pd、Pt[3]等。

Xie等[4]研究了In、Zn、Al、Pb、Bi、Sn几种金属电极对硝酸盐还原的效果，在最佳条件下对硝酸盐(100ppm)的降解率可达 84.5%。

金属材料具有自由移动的载流子，电子可以从材料表面迅速进入到硝酸盐溶液中，使得金属表面对氮的吸附能力比。

做成金属纳米材料的更能提高了传统吸附较强，促使硝酸根离子进行转化为N2剂的性能，与传统吸附剂相比，纳米材料具有更高的孔隙率、表面积、比表面积、吸附活性，催化电位高以及更多的活性位点和可控的孔径和表面化学性质，不仅可以通过物理吸附还可以经过化学吸附附着在表面上，表现出较强的吸附性能，可以做成纳米颗粒、纳米管、纳米团簇、纳米壳、纳米纤维和纳米复合材料。

《短程硝化反硝化技术研究进展》篇一一、引言随着环境保护意识的逐渐加强，污水处理技术在不断进步与发展。

短程硝化反硝化技术作为新兴的污水处理技术，具有其独特的优势和广阔的应用前景。

该技术主要通过控制硝化反应的过程，使其仅进行到亚硝酸盐阶段，即所谓的“短程”过程，随后进行反硝化反应，以达到去除氮的目的。

本文旨在探讨短程硝化反硝化技术的原理、应用及研究进展。

二、短程硝化反硝化技术原理短程硝化反硝化技术主要涉及两个过程：硝化过程和反硝化过程。

在硝化过程中，氨氮在亚硝酸盐菌的作用下被氧化为亚硝酸盐；在反硝化过程中，亚硝酸盐在厌氧条件下被还原为氮气，从而达到去除氮的目的。

短程硝化反硝化技术的关键在于控制硝化过程仅进行到亚硝酸盐阶段，这需要通过对反应条件的精确控制来实现。

三、短程硝化反硝化技术的应用短程硝化反硝化技术广泛应用于污水处理、脱氮除磷等领域。

由于该技术具有反应速度快、能耗低、污泥产量少等优点，因此在污水处理领域具有广泛的应用前景。

此外，该技术还可与其他生物脱氮技术相结合，如厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等，以提高脱氮效率。

四、短程硝化反硝化技术研究进展近年来，短程硝化反硝化技术的研究取得了显著的进展。

首先，在反应器设计方面，研究者们设计出了各种类型的反应器，如序批式反应器、流化床反应器等，以提高短程硝化反硝化的效率和稳定性。

其次，在反应条件控制方面，研究者们通过优化pH 值、温度、溶解氧等参数，实现了对短程硝化反硝化过程的精确控制。

此外，关于短程硝化反硝化技术的机理研究也取得了重要的进展，为该技术的进一步应用提供了理论依据。

五、未来展望未来，短程硝化反硝化技术将进一步得到发展和完善。

首先，研究者们将继续优化反应器设计，提高短程硝化反硝化的效率和稳定性。

其次，关于反应条件控制的研究将更加深入，以实现更加精确的控制。

此外，结合其他生物脱氮技术，如厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等，将进一步提高短程硝化反硝化技术的脱氮效率。

V ol .37N o.7Jul .2021赤峰学院学报渊自然科学版冤J our nalofChi f eng U ni ver s i t y (N at ur alSci ence Edi t i on)第37卷第7期2021年7月随着工业的迅速发展和人类活动的增加袁水资源的需求量正日益增大遥同时袁迅速发展的社会经济与急剧上升的人口也导致了水环境的持续恶化袁使地表水发生了大面积污染遥由于地表水资源分布不均和水质恶化袁造成我国人均可用水资源严重短缺的现象袁因此袁地下水已被视为可用水资源的重要组成部分遥地下水供水条件较稳定袁且分布非常广泛袁所以常被用作农业灌溉尧工业生产与饮用水的水源遥在我国一些地表水匮乏的干旱地区和北方地区袁地下水甚至是唯一的供水水源[1]遥近年来袁过度施肥尧地下水的过度开采和废水的不合理排放等因素造成了日益严重的地下水污染遥全国范围的地下水水质监测数据显示袁水质总体较差袁主要为郁类(70.7%)和吁类(15.5%)袁而玉-芋类仅占13.8%渊中国生态环保部袁2018冤遥氮渊N 冤元素是生物体构成与生长过程所必需的营养元素袁广泛存在于自然环境中遥氮循环更是维系地球上生命系统得以不断运行的重要自然过程遥但是袁自20世纪起袁全球范围内许多国家与地区的地下水中硝酸盐污染问题日益突出[2]遥地下水环境中硝酸盐的来源主要包括农业生产过程中含氮化肥的施用尧畜禽养殖废水尧垃圾渗滤液的淋滤下渗尧大量含氮生活污水和工业废水的排放等遥已在我国多个地区的地下水中检测出不同程度的硝酸盐污染袁其中袁在农业活动频繁尧城市化进程较快以及干旱的地区污染尤为严重[3]遥2011年袁叶全国地下水污染防治规划(2011-2020年)曳对我国的地下水质量进行了评价袁指出平原地区的浅层地下水水质较差袁北京尧辽宁尧吉林尧上海尧江苏尧海南尧宁夏和广东等8个省渊区尧市冤的主要污染指标包括氨氮尧亚硝酸盐氮及硝酸盐氮等遥虽然硝酸盐本身的毒性较低袁但是长期饮用含有过量硝酸盐的水将会危及人体健康遥硝酸盐进入人体的消化系统后袁经过肠道微生物的作用而转化为亚硝酸盐袁后者可将正常的血红蛋白氧化为不具备输氧功能的高铁血红蛋白袁并进一步引起疲劳尧气短尧脑缺氧甚至死亡袁被称为野高铁血红蛋白症冶[4]遥此外袁当硝酸盐进入人体之后袁经胃中多种还原酶的作用袁将会转化为可致癌尧致畸和致突变的亚硝胺类物质袁具有引发人体胃癌和食道癌等多部位肿瘤的潜在危害[5]遥由于全球范围内地下水中普遍存在硝酸盐污染袁严重影响人们日常生活袁威胁到人体健康与生态环境袁因此袁急需开展针对地下水中硝酸盐污染的有效防治与修复研究袁降低地下水中硝酸盐含量遥针对硝酸盐去除技术的研究袁目前袁生物处理技术尧物理处理技术和化学处理技术等三种常规的硝酸盐处理技术已得到广泛应用遥电化学还原法是指在电化学反应装置内袁采用适当的阴极与阳极组电化学法去除地下水中硝酸盐的机理研究刘恒源袁杨彦韬袁鲍文达袁钱梦然袁朱仙彪渊赤峰学院化学与生命科学学院袁内蒙古赤峰024000冤摘要院随着社会的快速发展袁工业废水和生活污水的不合理排放导致全球范围内广泛存在地下水中N O 3--N 污染的现象遥目前袁电化学法由于操作简便和环境友好性等特点袁被广泛用于N O 3--N 的还原去除遥本研究构建了一个以T i /I r O 2-Pt为阳极的电化学系统袁探究了不同阴极材料尧电流和初始pH 对反应器内硝酸盐还原的影响遥结果表明铁阴极具有较好的还原能力袁硝酸盐还原效率可以达到73.8%遥电流的升高增加了反应器内的电子传递袁从而提高了系统的硝酸盐电化学还原能力遥将电解液初始pH 值调节为7.00的中性环境可获得最高的硝酸盐还原效率袁且无副产物积累遥关键词院电化学曰硝酸盐曰地下水曰副产物中图分类号院X 703.1文献标识码院A文章编号院1673-260X 渊2021冤07-0046-04收稿日期院2021-04-11基金项目院内蒙古自然科学基金项目渊2019B S02006冤曰赤峰学院人才科研启动项目渊Q D J R C Y J 022冤. All Rights Reserved.合袁通过施加电流或电压袁在特定的实验条件渊如pH 尧温度等冤下袁利用电子转移过程袁在阴极表面逐步还原硝酸盐袁生成亚硝酸盐尧氨氮或氮气袁从而去除水中硝酸盐的过程[6]遥电化学法反应器构造简易尧操作简便尧无须外加还原剂尧反应快速高效袁因此作为一种环境友好型处理技术袁近年来得到了广泛的研究与关注遥本实验通过构建一个小型电化学反应器用以去除地下水中的硝酸盐袁并探究不同运行条件对反应器性能的影响遥1实验部分1.1实验用水以合成的硝酸盐污染地下水为实验用水袁每1L 溶液中含有0.304g 硝酸钠渊N aN O 3冤袁使溶液中硝酸盐浓度约为50m g-N /L 袁该浓度与我国大多数农业地区地下水中硝酸盐含量相近遥同时向其中添加1.0g/L 硫酸钠渊N a 2SO 4冤提高溶液导电性袁所有的固态化学药品均用分析天平准确称取渊FA 1604N ,J i nghai ,中国冤袁实验中所用的所有化学试剂均为分析纯渊恒兴试剂,中国冤袁利用去离子水配制实验用水袁排除其他离子干扰遥1.2实验装置本实验反应器主要由电解槽尧直流稳压电源尧阳极和阴极组成遥采用直流稳压电源渊PS-3005D ,兆信,中国冤施加恒电流为反应器供电袁电压范围0-30V 袁电流范围0-5A 遥圆柱形单室电解槽的有效容积为500m L 遥实验中以Ti /I r O 2-Pt为阳极材料袁尺寸为11cm 伊6cm 袁采用相同尺寸的铜板尧铁板和钛板分别为不同条件下的阴极遥1.3实验过程每次向反应器内倒入500m L 合成的硝酸盐污染地下水开始实验袁放入选定的阴阳极袁打开直流稳压电源袁在不同实验条件下渊阴极材料尧电流和初始pH 值冤进行电化学还原反应遥电解时间为120m i n 袁每隔20m i n 从反应器上部液面处取3m L 液体用于检测硝酸盐和亚硝酸盐浓度袁检测之前液体通过0.45滋m 滤膜过滤遥每组实验至少重复3次以保证实验结果的可重复性袁使所得结果的分析误差小于5%遥1.4水质检测和分析方法根据叶水和废水监测分析方法渊第四版冤曳中的标准方法袁采用紫外分光光度计测量渊TU -1901,北京普析,中国冤检测水样中N O 3--N 和N O 2--N 浓度遥具体为院N O 3--N 浓度在双波长220/275nm 处通过紫外分光光度法测定遥N O 2--N 浓度在波长540nm 处通过N -渊1-萘基冤-乙二胺分光光度法测定遥水样pH 值利用pH 计渊PH S-2F,雷磁,中国冤测量遥2实验结果与讨论2.1不同阴极材料对硝酸盐还原的影响图1显示袁分别利用铁尧铜和钛板为阴极在电化学作用下硝酸盐和亚硝酸盐浓度的变化袁在电流为0.5A 袁添加1.0g N a 2SO 4的条件下袁电解后N O 3--N 的浓度由50m g/L 分别降至13.10尧18.02和30.06m g/L 袁N O 3--N 的去除率分别为73.8%尧63.9%和39.9%遥K uang 等[7]也证实利用不同金属材料作为阴极构建电化学系统进行电解过程中袁铁阴极具有较高的硝酸盐去除效率袁这是由于铁阴极将硝酸盐转换为氮气或副产物的负电位值较小袁这一特点有利于硝酸盐的还原遥铜阴极虽然具有对硝酸盐的吸附强的特点袁有利于亚硝酸盐的形成的特点袁但铜阴极长时间电解会使得溶液的pH 升高导致铜板表面钝化袁影响电催化活性[8]遥而与铁电极和铜电极相比袁钛阴极的催化活性较低袁因此对硝酸盐的还原图1不同阴极材料反应器内硝酸盐和亚硝酸盐浓度的变化渊Ti /I r O 2–Pt阳极尧电流0.5A 袁1.0g/L N a 2SO 4冤. All Rights Reserved.作用较小遥此外袁作为一种中间产物袁亚硝酸盐在溶液中不稳定袁易被转化为其它含氮产物[9]袁实验结果发现副产物的积累也有明显差异袁分别以铁尧铜和钛板为阴极的条件下袁N O 2--N 的浓度呈现先增加后减小的趋势袁在实验过程中达到的最大值分别为0.20m g/L 尧0.61m g/L 和1.52m g/L 袁电解反应结束后浓度分别为0.10m g/L 尧0.20m g/L 和0.51m g/L 遥说明铁阴极对于副产物的积累也有较好的抑制效果遥基于以上实验结果袁在后续实验中选取铁板作为阴极进行电化学硝酸盐还原实验遥图2显示不同阴极材料下袁具有初始pH 值相同的溶液电解过程中pH 值变化趋势遥虽然极板材料有所不同袁溶液pH 变化趋势却相似袁120m i n 电解后溶液pH 值均在10至11之间遥之前的研究也表明袁硝酸盐还原过程中产生的O H -与水解过程中产生的H +之间无中和反应[10]袁因此袁溶液中存在大量O H -使得电化学反应进行中pH 逐渐升高遥2.2不同电流对硝酸盐还原的影响图3显示袁以铁板作为阴极袁在电流为0.25A 尧0.50A 和0.75A 的条件下分别进行电化学硝酸盐还原实验遥120m i n 电解后N O 3--N 的浓度由50m g/L分别降至22.05m g/L 尧13.10m g/L 和7.99m g/L 袁N O 3--N 的去除率分别为55.9%尧73.8%和84.0%袁N O 2--N 的浓度仍然呈现先增加后减小的趋势袁在实验过程中达到的最大值分别为0.23m g/L 尧0.20m g/L 和0.12m g/L 袁电解反应结束后浓度分别为0.08m g/L 尧0.10m g/L 和0.03m g/L 遥结果表明袁随着电流的增加袁硝酸盐的去图2不同阴极材料电解过程中溶液pH 值的变化渊Ti/I r O 2–Pt阳极尧电流0.5A 袁1.0g/L N a 2SO 4冤图3不同电流条件下反应器内硝酸盐和亚硝酸盐浓度的变化渊Ti /I r O 2–Pt阳极尧铁板阴极袁1.0g/L N a 2SO 4冤除率随之增加袁副产物亚硝酸盐的浓度也有所降低袁但是袁电流增加会使得电压升高袁在系统相同运行时间内袁能耗也会增大遥因此袁在以后的实验中应该对电流条件进行优化袁使得反应系统获得最大的去除效率遥2.3不同初始pH 值对硝酸盐还原的影响具有不同pH 值的电解液中含有不同的H +和O H -量袁可能会对硝酸盐的电化学还原过程造成影响袁因此袁通过调节电解液的酸碱度袁分别在初始pH 值为3尧7和11时袁进行硝酸盐的还原实验研究袁结果如图4所示遥随着初始pH 值从3逐渐增加至11袁电解反应结束后袁N O 3--N 的浓度由50m g/L分别降低至26.11m g/L 尧13.10m g/L 和15.04m g/L 袁还图4不同初始pH 值下反应器内硝酸盐和亚硝酸盐浓度的变化渊Ti /I r O 2–Pt阳极尧铁板阴极袁1.0g/L N a 2SO 4冤. All Rights Reserved.原效率分别为47.8%尧73.8%和70.0%袁呈现出在中性条件下对硝酸盐的还原性能优于碱性尧酸性条件遥之前的研究也证实了酸碱性条件对硝酸盐还原的轻微抑制作用袁并且酸性条件下较为明显[11]遥这是由于相比于中性和碱性环境袁酸性条件对硝酸盐还原过程随着pH值的降低促进了溶液中析氢反应的进行袁造成析氢反应与硝酸盐还原反应相互竞争袁从而阻碍了硝酸盐的还原袁降低了硝酸盐的还原效率[12]遥3实验结论本实验构建了一个电化学反应装置用于去除模拟地下水中的硝酸盐袁结果显示袁相比于铜和钛这两种阴极材料袁铁板阴极具有最佳硝酸盐电化学还原性能曰电流也是影响反应器运行性能的一个主要因素袁随着电流的增加袁反应器内硝酸盐还原效率随之增大袁但是大的电流也会导致反应器能耗升高袁因此在以后的实验中应对电流进行优化袁在较少的成本下获得最大的效率曰此外袁将电解液初始pH值调节为7.00的中性环境可获得最高的硝酸盐还原效率遥综上所述袁所构建的电化学系统能够有效去除水中的硝酸盐袁可针对不同地区地下水中含有的高浓度硝酸盐进行高效去除遥要要要要要要要要要要要要要要要要要要要参考文献院也1页严冬冬,徐从海,黄永军,崔江.郯城县农村饮用水源地硝酸盐污染及防治对策[J].环境研究与监测,2020,33(03):59-63.也2页M or gane L.M.,C hant al G.O.,A l ai n M.,Y ves S.,A l i x L.,Fl or ent i na M.,A l exa ndr i ne P., Phi l i ppe S.,A l ai n L.,G i l l es P.Eut r ophi cat i on:A new w i ne i n an ol d bot t l e钥[J]Sci ence oft he T ot al Envi r onm ent,2019,651:1-11.也3页Z hang Q.,X u P.,Q i a n H.A s s es s m ent of gr oundw at er qua l i t y and hum an heal t h r i s k(H H R)eval uat i on of ni t r at e i n t he C ent r al-W es t er n G uanzhong B a s i n,C hi na[J].I nt er na鄄t i onal J our nal of Envi r onm ent al R es ea r ch a nd Publ i c H eal t h,2019,16:4246-4262.也4页Li u H.,C hen N.,Feng C.,T ong S.,Li R.I m pact of el ect r o-s t i m ul at i on on deni t r i f yi ngbact er i al gr ow t h and anal ys i s of bact er i al gr ow t h ki net i cs us i ng a m odi f i ed G om per t z m odel i n a bi o-el ect r ochem i ca l deni t r i f i cat i on r eact or[J].B i or es our ce T echnol ogy.2017.232, 344-353.也5页Li u H.,T ong S.,C hen N.,Li u Y.,Feng C.,H u Q.Ef f ect of el ect r o-s t i m ul at i on on act i vi t yof het er ot r ophi c deni t r i f yi ng bact er i a a nd deni鄄t r i f i cat i on per f or m ance[J].B i or es our ce T echnol鄄ogy.2015.196,123-128.也6页M a X.,Li M.,Li u X.,W ang L.,C hen N., Li J.,Feng C.A gr aphene oxi de nanos heet鄄m odi f i ed T i nanocom pos i t e el ect r ode w i t h en鄄hanced el ect r ochem i ca l pr oper t y and s t abi l i t yf or ni t r at e r educt i on[J].C hem i cal Engi neer i ngJ our na l.2018,348:171-179.也7页K uang P.,Feng C.,i M.,C hen N.,H u Q., W ang G.,i R.I m pr ovem ent on el ect r ochem i鄄cal r educt i on of ni t r at e i n s ynt het i c gr oundw a鄄t er by r educi ng a node s ur f ace a r ea[J].J our nal of T he El ect r ochem i cal Soci et y,2017,164: E103-E112.也8页顾雨薇,李雪,陈硕,于洪涛.高盐水中硝酸根的电化学去除方法[J].科学通报,2020,65(26):2880-2894.也9页Li M.,Feng C.,Z hang Z.,Y ang S.,Sugi ur a N.T r eat m ent of ni t r at e cont am i nat ed w at er us i ng an el ect r ochem i cal m et hod[J].B i or es our ce T echnol ogy,2010,101:6553-6557.也10页王乐乐.纳米电极制备及电化学去除地下水中硝酸盐行为与机理[D].中国地质大学(北京)袁2020.也11页Li M.,Feng C.,Z ha ng Z.,ei X.,C hen R., Y ang Y.,Sugi ur a N.Si m ul t aneous r educt i on of ni t r at e and oxi da t i on of by-pr oduct s us i ngel ect r ochem i calm et hod[J].J our nalof H azar dous m at er i al s,2009,171:724-730.也12页匡珮菁.高效电化学还原地下水硝酸盐系统的构建及机理研究[D].中国地质大学(北京)袁2019.. All Rights Reserved.。

Cu-Sn-Bi阴极电催化还原硝酸盐实验研究现代工农业的快速发展,使得地下水体中硝酸盐的污染日益严重,地下水作为重要的饮用水源,给人类健康带来极大危害。

电催化工艺作为环境友好型技术受到研究者广泛关注,然而大多数电极为贵金属材料价格昂贵,使其实际应用受到限制,因此开发一种高效、低成本的电极材料是当前的研究重点。

多金属电极由于其元素之间相互协同可促进硝酸盐还原反应,在硝酸盐处理方面具有较好的应用前景。

本实验研究采用电沉积法制备Cu-Sn-Bi电极,主要研究内容包括:（1）优化电极制备条件,考察电沉积时间、电沉积电流密度、电沉积温度和Bi含量等条件对Cu-Sn-Bi电极性能的影响,确定最佳电极制备条件,获得最佳电极。

（2）以最佳电极作为电催化阴极对硝酸盐模拟废水进行降解,探究电催化还原硝酸盐影响因素,确定最佳处理条件。

（3）通过循环伏安、线性伏安等测试手段,结合硝酸盐的电催化还原结果初步分析Cu-Sn-Bi电极还原硝酸盐的还原电位及还原路径。

通过以上实验研究结果进行分析讨论,得到以下结论:（1）电沉积时间、电流密度、温度及Bi含量等制备条件对Cu-Sn-Bi电极性能的影响较为明显。

在温度35℃,电流密度4 mA/cm²条件下电沉积30 min获得的Cu-Sn-Bi 电极电催化还原硝酸盐效果较好。

Bi含量为9%的Cu-Sn-Bi电极结晶度高,响应电流随时间衰减缓慢,电化学稳定性好,电极表面颗粒尺寸细小,表面积较大,活性位点较多,电催化还原硝酸盐去除效果最好,催化活性高。

（2）以制备的Cu-Sn-Bi电极为阴极,钌铱电极为阳极,硝酸盐模拟废水在有效电极面积为40 cm²,电极间距为20 mm,硝酸盐氮初始浓度为100 mg/L,Na₂SO₄浓度为0.125 mol/L,电流密度为6mA/cm²,初始pH值为7的条件下,电催化还原处理5 h后硝酸盐氮的去除率达88.43%,氮气选择率为56.20%,电流效率为28.21%,能耗为0.15KWh/g （NO₃^--N）,当投加Cl^-浓度为0.5 g/L时,氮气选择性为75.32%。