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】
[0001]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】
[0002]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j 11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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—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:
[0008]步骤1:取硝酸盐污染水，其中硝酸盐氮含量为25?100mg/L ；
[0009]步骤2:采用以氧化石墨稀为辅助制作的Fe-石墨稀颗粒为还原剂；
[0010]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I?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:
[0011]阴极反应:
[0012]NO3 +H20+2e = NO 2 +20H (I)
[0013]NO3+3H20+5e = 1/2N 2+60H (2)
[0014]NO2+5H20+6e = NH 3+70H (3)
[0015]2N02 +4H20+6e = N 2+80H (4)
[0016]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:
[0017]步骤1:氧化石墨烯的制备步骤如下:
[0018]步骤1.1:将鳞片石墨粉加入烧杯；
[0019]步骤1.2:冰水浴搅拌下，向烧杯中加入质量比鳞片石墨粉=NaNO3S 2:1的NaNO 3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=KMnO4S 1:3的 KMnO4;
[0020]步骤1.3:5分钟后，去除冰水浴并将体系加热至35°C保温30分钟；
[0021]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；
[0022]步骤1.5:加入60°C的质量浓度为3% H2O2水溶液，直至气泡消失；
[0023]步骤1.6:离心沉淀物至pH为3-4，冷冻干燥，得到氧化石墨稀粉末；
[0024]步骤2:Fe-石墨稀颗粒的制作具体包括如下步骤:
[0025]步骤2.1:用稀盐酸酸洗铁粉；
[0026]步骤2.2:将酸洗后的铁粉，用去离子水反复冲洗5?30分钟；
[0027]步骤2.3:将冲洗后的铁粉倒在滤纸上待用；
[0028]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的氧化石墨稀溶液，向氧化石墨稀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I?30min，在铁粉表面会形成氧化石墨烯泡沫薄膜；
[0029]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。
[0030]和现有技术相比较，本发明具有如下优点:
[0031]I)所有处理均在单一的反应装置中完成。
[0032]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。
[0033]3)米用Fe-石墨稀颗粒去除硝酸盐效率比使用铁尚，能尚效去除水中硝酸盐。
[0034]4)反应器制作过程简单、操作方便，成本低廉。
【附图说明】
[0035]图1为Fe-石墨烯颗粒图。
[0036]图2为实施例1中不同还原剂对硝酸盐处理效果。
[0037]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】
[0038]实施例1
[0039]如图1所示，为Fe-石墨烯颗粒图，反应器为烧杯。
[0040]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。
[0041]实施例2
[0042]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。
【主权项】
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I?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 +H20+2e = NO 2 +20H (I)NO3 +3H20+5e = 1/2N 2+60H (2)NO2 +5H20+6e = NH 3+70H (3)2N02 +4H20+6e = N 2+80H (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:氧化石墨稀的制备步骤如下: 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=NaNO3S 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=KMnO4S 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°C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°C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，得到氧化石墨稀粉末； 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的氧化石墨稀溶液，向氧化石墨稀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I?30min，在铁粉表面会形成氧化石墨稀泡沫薄膜； 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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】C02F1/58, C02F1/467
【公开号】CN105217741
【申请号】CN201510604939
【发明人】刘翔, 马雪姣, 刘芳, 陈国丽, 李淼
【申请人】清华大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月21日