一种Fe-石墨烯颗粒高效去除地下水中硝酸盐的方法

摘要

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NaNO

说明书

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45.0 mg/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。