[发明专利]一种用于废水中硝态氮还原的金属电极的制备方法及应用

说明书

本发明属于环境电化学领域，公开了一种用于废水中硝态氮还原的金属电极的制备方法及应用。该金属电极的制备方法包括以下步骤：将商用金属材料进行清洗干燥的预处理后，通过三电极体系或二电极体系对经预处理的金属材料施加电位以在金属材料表面生成与其组分一致的纳米颗粒，即获得所述用于还原废水中硝态氮的金属电极。本发明在常温常压下，仅通过加电处理的方式，使金属材料表面形成大量与初始组分一致的金属纳米颗粒，从而获得一种新的电极。与原材料相比，表面金属纳米颗粒的存在，降低了硝酸盐活化能垒，提供了更大电极比表面积和更多反应位点，因而该金属电极硝态氮电化学还原过程中展现出优异的性能和稳定性。

技术领域

本发明属于环境电化学领域，特别涉及一种用于废水中硝态氮还原的金属电极的制备方法及应用。

背景技术

水环境中氮污染已成为全球性的环境问题。在许多地区，由于氮肥大量使用、生活污水和含氮工业废水处置不当等原因，硝态氮已成为其地表水和地下水中重要的污染物，存在危害人体健康的风险。此外，在某些特种工业中，如核工业，其废料中高浓度的硝态氮是废料处理的关键问题之一，废料中的硝态氮会大大增加废料的体积，以及会对后续固化处理的稳定性产生负面的影响。

目前，工业上对废水中硝态氮主要处理方法包括以下几种：离子交换、反渗透、生物反硝化、催化加氢以及电化学还原。但是，离子交换和反渗透法只是将污染物从水相转移到另一相，存在引起二次污染的风险。生物反硝化则需要持续监测和调节水中pH值、温度及碳氮比，以维持微生物的活性，该技术对废水组成成分要求比较高，并不适用于高浓度工业废水。催化加氢还原硝态氮则需要连续供给氢气和贵金属催化剂，并不适用于大规模应用。与以上几种技术相比，电化学还原因其绿色、高效、耐冲击、条件温和及易于自动化控制等优点受到广泛关注。

阴极是发生反应的主要场所和位点，阴极材料在硝态氮电化学还原中起着至关重要的作用。目前，在硝态氮电还原领域中，研究主要围绕开发高性能、低成本的电极材料展开。如，采用铜片、铁片、铜锌合金片等来源广泛、价格低廉的阴极进行硝态氮电还原，降低处理成本；采用贵金属和纳米材料作为阴极，提高硝态氮电还原效率和产物的氮气选择性。然而，普通的金属片在实际处理过程中性能不佳且容易失活，贵金属和纳米材料因其价格昂贵和生产工艺复杂等缺点难以广泛应用。针对以上缺点，迫切需要一种来源广泛、高性能、成本低的应用于硝态氮电还原的阴极材料。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于废水中硝态氮还原的金属电极的制备方法。该在常温常压下，仅通过加电处理的方式，使金属材料表面形成大量与初始组分一致的金属纳米颗粒，从而获得一种新的电极。与原材料相比，表面金属纳米颗粒的存在，降低了硝酸盐活化能垒，提供了更大电极比表面积和更多反应位点，因而该金属电极硝态氮电化学还原过程中展现出优异的性能和稳定性。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的用于废水中硝态氮还原的金属电极。

本发明再一目的在于提供上述用于废水中硝态氮还原的金属电极的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种用于废水中硝态氮还原的金属电极的制备方法，包括以下步骤：

将商用金属材料进行清洗干燥的预处理后，通过三电极体系或二电极体系对经预处理的金属材料施加电位以在金属材料表面生成与其组分一致的纳米颗粒，即获得所述用于还原废水中硝态氮的金属电极。

所述的商用金属材料可为但不限于铜、铁、镍和钴中的至少一种；

所述的商用金属材料类型可为金属箔、金属板、金属网和泡沫金属中任意一种。

所述的清洗干燥的预处理是指在将商用金属材料浸泡于有机溶剂中并超声处理5～30min，用去离子水冲洗干净；随后再浸泡于酸溶液中并超声处理5～30min，最后用去离子水和无水乙醇将材料冲洗干净，进行干燥处理，即得到预处理的金属材料。