[发明专利]还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极、制备方法及其应用。以碳材料为基底，先电负载碳纳米管，然后电负载铜镍双金属，即得所述复合电极。以此复合电极为反应装置的阴极，可用于电化学还原硝酸盐，其硝态氮还原速率显著优于单纯的铜镍电极。

技术领域

本发明涉及一种还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极、制备方法及其应用，属于电化学领域。

背景技术

目前，人类的工农业生产和其他社会活动已造成地下水及地表水中硝酸盐浓度的不断提高，而饮用水中硝酸盐浓度的升高回对人体健康造成严重危害。因此，世界卫生组织建议，饮用水中硝酸盐浓度应低于10mg/L。

水体中硝态氮的污染来源于难处理的工业废水和生活污水、氮肥的过度使用和污染气体的沉积。这种污染会造成水体的富营养化、婴儿的蓝婴综合征以及成人的胃肠道癌。

废水的硝态氮处理方法主要有离子交换和反渗透、生物脱氮、催化加氢和电化学还原法。电渗析、反渗透和离子交换仅仅只是把硝酸盐从水中分离出来，分离产生的高浓度硝酸盐废水还需要进一步处理。生物脱氮在生物反应器中利用微生物将水中的硝态氮转变为氮气，但是处理过程中产生细菌污染的可能性、自养或异养细菌的对环境的敏感性、额外的碳源投加、连续监测、处理时间长使生物脱硝与物理化学过程相比没有竞争力。催化加氢需要不断的氢气供应，大规模工业应用得到限制。电化学过程具有不需要投加化学药剂、设备占地面积小、不会产生污泥、相对较低的投资成本、高能量效率和良好的环境兼容性。

近年来，电化学还原硝态氮的研究集中在电极材料的开发上。还原过程主要分两种途径，一是硝态氮在阴极直接还原为氮气或笑气从而脱氮，二是硝态氮先还原为氨氮然后氨氮在阳极氧化成氮气从而脱氮。目前有研究报道已经能使硝态氮达到90%的去除，没有副产物氨氮和亚硝态氮的产生，但是还原时间比较长，使用的电流密度较大，对于工业应用来说成本过高。说明现行电化学还原硝酸盐的技术还亟待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极、制备方法，该复合电极具有较快还原硝态氮的能力。

本发明的另一目的在于提供上述复合电极的应用。

实现本发明的技术解决方案是：一种还原水中硝态氮的碳基铜镍复合电极，以碳基材料为基底，所述基底依次电负载碳纳米管和铜镍双金属，即得所述复合电极。

上述复合电极中，碳基材料为石墨毡、碳电极等碳类材料中的一种。

上述复合电极中，碳纳米管为单壁碳纳米管、高纯多壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、羟基化多壁碳纳米管的一种或几种的混合物。

上述复合电极中，电负载铜镍双金属时，其电解质溶液中，采用的添加剂为硫酸铵或柠檬酸钠中的一种或两种混合物，采用的铜镍盐为硫酸铜和硫酸镍的两种混合物，硫酸铜与硫酸镍的摩尔比为1：4~35：2。

上述复合电极中，电负载多壁碳纳米管时，其电解质溶液中，多壁碳纳米管与溴化十六烷基三甲基溴化铵的质量比为4:1~1:1。

上述碳基铜镍复合电极的制备方法，其步骤如下：

（a）按照多壁碳纳米管：溴化十六烷基三甲基溴化铵=4:1~1:1的质量比例，将其溶于去离子水中，搅拌均匀；

（b）按照硫酸铜：硫酸镍=1：4~35：2的摩尔比例，将其溶于硫酸铵或柠檬酸钠中的一种或两种混合溶液中；

（c）将碳基材料作阴极，在15-25V恒电压下于步骤（a）所配制的溶液中负载20-40min；

（d）将步骤（c）中负载碳纳米管后的碳基材料作阴极，在10-20mA/cm²的恒电流条件下于步骤（b）所配制的溶液中负载20-40min即得碳基铜镍复合电极。