CN105217741B - 一种Fe‑石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法 - Google Patents

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Abstract

一种Fe‑石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法，步骤如下：将鳞片石墨粉加入烧杯；依次向烧杯中加入NaNO3、H2SO4、KMnO4、去离子水、60℃的H2O2；经历低温、中温、高温阶段，离心并冷冻干燥，得到氧化石墨烯粉末；配制氧化石墨烯溶液，加入十二烷基苯磺酸钠；将预处理后的铁粉浸入溶液，浸泡后倒在滤纸上，即得到成品Fe‑石墨烯颗粒；取硝酸盐污染水，以Fe‑石墨烯颗粒为还原剂还原去除硝酸盐；硝酸盐得电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；本发明使用氧化石墨烯作为辅助制作的Fe‑石墨烯颗粒，在一个烧杯内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置。

Description

一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法
技术领域
本发明属于水中硝酸盐处理技术领域，具体地是涉及一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法。
背景技术
水是人类赖以生存的必不可少的重要物质，而地球上的大部分水属于冰川或分布在难以利用的地方，地下水是人类所能利用的少数水体资源中最重要的水体。在我国，地下水占全国水资源总量的三分之一，随着社会的发展和人类生活的丰富，地下水的开采量在逐步增加，全国有半数以上的地区以地下水作为主要供水水源，尤其是北方地区。近年来，地下水的污染不断加剧，2011年全国有55％的监测点水质较差或极差，污染区域主要为工业化程度较高或人口密集区，污染物主要包括铁、锰、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等，其中，硝酸盐污染不容忽视。人类长期摄入硝酸盐，有致畸和致癌的危险，而同时，硝酸盐富含氮元素，大量存在于环境中，会导致水体富营养化，造成藻类大量繁殖、鱼类大量死亡等环境问题。
目前较为常见的去除水中硝酸盐的方法主要有物理法、生物法和化学法。其中，物理法费用较高、未从根本上彻底去除硝酸盐离子且容易发生二次污染。生物反硝化法随可以彻底去除硝酸盐，且成本较低，但其对技术条件要求较高，并且处理周期长。
相较而言，以Fe、Al等金属为还原剂的化学反硝化法，对反应条件要求较低，得到了广泛使用。近年来，以Fe为还原剂去除地下水中的硝酸盐受到学者的关注。而石墨烯，由于其特殊的二维结构而具有优异的电学性质、高电子传导性和超大比表面积，将其与铁颗粒进行有效结合，不仅可以保持铁本身对于硝酸盐的去除效用，还能使其与硝酸盐离子充分接触，并能有效防止铁的钝化，从而大大提高其对硝酸盐的还原去除。
发明内容
为了实现上述铁粉与石墨烯材料的结合，本发明的目的在于提供一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用氧化石墨烯溶液作为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，在一个烧杯内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法，使用以氧化石墨烯溶液为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，在一个烧杯内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，具体包括如下步骤：
步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L；
步骤2：采用以氧化石墨烯为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒为还原剂；
步骤3：将硝酸盐污染水、还原剂Fe-石墨烯颗粒放入烧杯中，反应1～48小时，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：
阴极反应：
NO3 -+H2O+2e-＝NO2 -+2OH- (1)
NO3 -+3H2O+5e-＝1/2N2+6OH- (2)
NO2 -+5H2O+6e-＝NH3+7OH- (3)
2NO2 -+4H2O+6e-＝N2+8OH- (4)
所述以氧化石墨烯溶液为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒的制作方法如下：
步骤1：氧化石墨烯的制备步骤如下：
步骤1.1：将鳞片石墨粉加入烧杯；
步骤1.2：冰水浴搅拌下，向烧杯中加入质量比鳞片石墨粉：NaNO3为2:1的NaNO3与使鳞片石墨粉浓度为43.5mg/mL的H2SO4，随后缓慢加入质量比鳞片石墨粉：KMnO4为1:3的KMnO4；
步骤1.3：5分钟后，去除冰水浴并将体系加热至35℃保温30分钟；
步骤1.4：缓慢加入使鳞片石墨粉浓度为21.7mg/mL的去离子水水至烧杯中，并搅拌15分钟；
步骤1.5：加入60℃的质量浓度为3％H2O2水溶液，直至气泡消失；
步骤1.6：离心沉淀物至pH为3-4，冷冻干燥，得到氧化石墨烯粉末；
步骤2：Fe-石墨烯颗粒的制作具体包括如下步骤：
步骤2.1：用稀盐酸酸洗铁粉；
步骤2.2：将酸洗后的铁粉，用去离子水反复冲洗5～30分钟；
步骤2.3：将冲洗后的铁粉倒在滤纸上待用；
步骤2.4：采用泡沫膜颗粒法处理铁粉；具体为：采用氧化石墨烯为辅助，采用步骤3滤纸上的铁粉为基底，配制2.0～20.0mg/mL的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中加入十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂，使十二烷基苯磺酸钠溶液浓度为0.02mg/mL；将步骤3滤纸上的铁粉浸入溶液，浸泡1～30min，在铁粉表面会形成氧化石墨烯泡沫薄膜；
步骤2.5：待反应完成后将形成的具有泡沫薄膜的铁粉取出，置于滤纸上吸去多余水分，即得到成品Fe-石墨烯颗粒。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)所有处理均在单一的反应装置中完成。
2)采用氧化石墨烯作辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，在还原过程中，电极表面的氧化石墨烯薄膜能有效防止铁的钝化，并促进还原剂与硝酸盐离子充分接触，从而高效的电解还原去除硝酸盐。
3)采用Fe-石墨烯颗粒去除硝酸盐效率比使用铁高，能高效去除水中硝酸盐。
4)反应器制作过程简单、操作方便，成本低廉。
附图说明
图1为Fe-石墨烯颗粒图。
图2为实施例1中不同还原剂对硝酸盐处理效果。
图3为实施例2中不同还原剂对硝酸盐处理效果。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为Fe-石墨烯颗粒图，反应器为烧杯。
实验中将人工合成的硝酸盐污染水(NO3 --N，50mg/L)500mL放入烧杯中，加入还原剂，实验中所用Fe-石墨烯颗粒制作过程中，在氧化石墨烯溶液中浸泡时间为30分钟：①使用的还原剂为为铁粉，则反应48小时后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降至47.5mg/L；②还原剂采用以氧化石墨烯作辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，则反应48小时后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降到45.0mg/L，去除速率比使用铁粉为还原剂提高了96％，结果如图2所示。
实施例2
实验所用烧杯和使用Fe-石墨烯颗粒去除硝酸盐的方法如例1，所不同的是实验中所用Fe-石墨烯颗粒制作过程中，在氧化石墨烯溶液中浸泡时间为10分钟：①使用的还原剂为为铁粉，则反应48小时后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降至47.5mg/L；②还原剂采用以氧化石墨烯作辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，则反应48小时后硝酸盐氮浓度从50.0mg/L降到42.0mg/L，去除速率比使用铁粉为还原剂提高了220％，极大的提高了硝酸盐的去除效率，结果如图3所示。

Claims (1)

1.一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法，其特征在于：使用以氧化石墨烯为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒，在一个烧杯内有效地去除硝酸盐，无需其他辅助的处理装置，具体包括如下步骤：
步骤1：取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25～100mg/L；
步骤2：采用以氧化石墨烯为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒为还原剂；
步骤3：将硝酸盐污染水、还原剂Fe-石墨烯颗粒放入烧杯中，反应1～48小时，从而还原去除硝酸盐；硝酸盐得到电子被还原生成氮气、亚硝酸盐或氨，达到去除硝酸盐的目的；反应式如下：
阴极反应：
NO3 -+H2O+2e-＝NO2 -+2OH- (1)
NO3 -+3H2O+5e-＝1/2N2+6OH- (2)
NO2 -+5H2O+6e-＝NH3+7OH- (3)
2NO2 -+4H2O+6e-＝N2+8OH- (4)
所述以氧化石墨烯为辅助制作的Fe-石墨烯颗粒的制作方法如下：
步骤1：氧化石墨烯的制备步骤如下：
步骤1.1：将鳞片石墨粉加入烧杯；
步骤1.2：冰水浴搅拌下，向烧杯中加入质量比鳞片石墨粉：NaNO3为2:1的NaNO3与使鳞片石墨粉浓度为43.5mg/mL的H2SO4，随后缓慢加入质量比鳞片石墨粉：KMnO4为1:3的KMnO4；
步骤1.3：5分钟后，去除冰水浴并将体系加热至35℃保温30分钟；
步骤1.4：缓慢加入使鳞片石墨粉浓度为21.7mg/mL的去离子水至烧杯中，并搅拌15分钟；
步骤1.5：加入60℃的质量浓度为3％H2O2水溶液，直至气泡消失；
步骤1.6：离心沉淀物至pH为3-4，冷冻干燥，得到氧化石墨烯粉末；
步骤2：Fe-石墨烯颗粒的制作具体包括如下步骤：
步骤2.1：用稀盐酸酸洗铁粉；
步骤2.2：将酸洗后的铁粉，用去离子水反复冲洗5～30分钟；
步骤2.3：将冲洗后的铁粉倒在滤纸上待用；
步骤2.4：采用泡沫膜颗粒法处理铁粉；具体为：采用氧化石墨烯为辅助，采用步骤2.3滤纸上的铁粉为基底；配制2.0～20.0mg/mL的氧化石墨烯溶液，向氧化石墨烯溶液中加入十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂，使十二烷基苯磺酸钠溶液浓度为0.02mg/mL；将步骤2.3滤纸上的铁粉浸入已加入上述十二烷基苯磺酸钠的氧化石墨烯溶液，浸泡1～30min，在铁粉表面会形成氧化石墨烯泡沫薄膜；
步骤2.5：待反应完成后将形成的具有泡沫薄膜的铁粉取出，置于滤纸上吸去多余水分，即得到成品Fe-石墨烯颗粒。
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