发布日期:2018-10-30 14:58 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:
硝酸盐(NO 3 - )和亚硝酸盐(NO 2 - )是普遍存在的表面和 地下水 污染物, 也是 对人类健康的危害。 现有的 处理 技术如 反渗透 (RO)和 离子交换 (IEx)分离(但不破坏)硝酸盐和
硝酸盐(NO 3 -)和亚硝酸盐(NO 2 -)是普遍存在的表面和地下水污染物,也是对人类健康的危害。现有的处理技术如反渗透(RO)和离子交换(IEx)分离(但不破坏)硝酸盐和/或亚硝酸盐并产生盐水,这需要进一步处理。本文讨论了在温和条件下通过直接将NO x -物种转化为无毒的氮气和水来改善污染水的几种催化方法。
介绍
硝酸盐和亚硝酸盐是世界范围内普遍存在的表面和地下水污染物,主要来自农业径流和污水 处理厂 排放(硝酸盐与亚硝酸盐相比,在水中的比例要高得多。硝酸盐和亚硝酸盐促进藻类大量繁殖导致海洋生物除了引起婴儿高铁血红蛋白血症(蓝婴婴儿综合症)外,硝酸盐和亚硝酸盐还与高血压和癌症有关;美国环保署已将最大污染物限值分别设定为10 mgL(氮)和1 mgL。 ,该机构将IEx和RO列为公认的饮用水 处理 硝酸盐去除方法。
IEx是美国用于从饮用水源中去除硝酸盐的主要技术,用于中小型处理厂,(1)通过在阴离子交换 树脂上置换氯化物除去硝酸盐。通过使用浓NaCl溶液置换吸附的硝酸盐来完成再生。第二种最常见的硝酸盐处理替代品RO用于市政和POU应用,并通过离子注入膜加压除去硝酸盐。考虑RO的关键因素是防止膜 污染的预处理要求的成本以及水回收和电力消耗之间的权衡。
RO系统通常具有比IEx更高的资本成本,但运营成本更低。这两种技术,但是,需要昂贵的处置浓硝酸的盐水。已经开发了用于饮用水或离子交换盐水的直接生物处理技术,但是需要添加化学源(例如,甲醇)并且由于缓慢的生物反应而难以打开和关闭。
催化方法通过分解分子来除去硝酸盐
催化剂是与反应物接触以加速其化学反应的物质; 他们参与反应但自己保持不变。粉末和粒料等形式的非均相催化剂具有发生反应的表面。硝酸盐还原为N 2需要电子(e -)产生氮气和质子(H +)产生水:
NO 3 - + 6 H + + 5 e - →0.5 N 2 + 3 H 2 O
的电子来自化学名为还原剂,如氢(H 2)气体,这也是源极质子(流程1A)。广义地说,催化剂促进硝酸盐和还原剂在表面上的结合和相互作用。化学产品形成并离开表面,允许更多的硝酸盐和还原剂分子反应。
在光催化中,光辐射(hν)在光吸收固体材料内转换成电子(e CB -)和'空穴'(h VB -)。的化学源(如甲酸酸)加入到与孔,从而完成反应硝酸盐还原反应(方法1b)。电催化是另一种类型的催化,其中电活性固体从与硝酸根离子接触的外部电流带来电子(方案1c)。最近在新的催化和光催化方法上取得了成功。
双金属复合材料作为非均相催化剂
水污染物的催化处理优于物理去除机制(例如IX和RO),因为污染物在一步中变得无害,而不是产生二级废物流。1989年首次报道了硝酸盐的多相催化处理,当时欧洲研究人员发现钯(Pd)和铜(Cu)金属将硝酸盐转化为氮气和氨气。(3)此后,还有许多其他催化剂,如PdIn(钯 - 铟)或PdSn(钯 - 锡)也被认为是硝酸盐还原的活性物质。(4-6)硝酸盐被认为首先在第二种金属(Sn,In或Cu)上还原形成亚硝酸盐,这是随后将Pd还原为N 2或氨,但直到最近,这种想法在很大程度上未经证实。
来自纳米技术启用水处理(NEWT)中心的研究人员通过制造用铟原子修饰的钯纳米颗粒来研究这个问题。(7)他们证明了氧化还原反应首先发生在铟簇和硝酸盐(NO 3 -)之间,其中亚硝酸盐(NO)形成2 -)和氧化铟(InO x)。钯将氢(H 2)分解成表面吸附的H原子,然后可以进一步将NO 2 - 分子还原为氮(N 2),并将InOx还原成In。确定新的催化剂结构和亚硝酸盐的操作条件减少(8-9)表明甚至更好的材料可以设计用于硝酸盐处理。
开发催化处理方法的进展
正在进步用于硝酸盐修复的非均相催化剂的实际实施。正在进行中试规模的测试工作,以铜钯(CuPd)为基础的硝酸盐去除系统来处理美国的市政地下水供应。(10)Werth和同事已开发出具有更高硝酸盐还原率和聚焦率的填充床反应器特别是在GAC上使用InPd (11)开发用于饮用水硝酸盐处理的滴流床反应器(TBR),并报告了高硝酸盐还原率。然而,还需要进一步的研究来评估催化剂在普通饮用水成分(即Cl -,SO 4 2-,HCO 3 -和天然有机物质)存在下处理硝酸盐时的活性,寿命和再生。还需要关于进水 pH 的长期催化剂性能的更好信息。硝酸盐还原催化也可以应用于废IEx 盐水。(12)目前的技术挑战是当盐水浓度高时催化剂的活性较低。
光催化在实施方面具有潜在的优势。目前正在研究一种有效的光催化材料是二氧化钛(TiO 2)涂覆有纳米尺寸的银颗粒,其可以硝酸盐转变成N 2的酸性pH条件下。(13)在低于360纳米(紫外线辐射)激发波长的光子的电子在TiO 2朝向表面,然后被“捕获”在银中足够长的时间以导电转移到硝酸盐上,硝酸盐由于其与银的亲和力而优先吸附。形成中间体(亚硝酸盐),其在低pH下通过约365nm的光直接光解以最终形成N 2。然而,这种转化在饮用水中的环境pH值(6-8)下要慢得多,并且产生的氨比N 2多。开发在表面上产生H 2的新型光催化剂(例如,水分解光催化剂)可以导致能够在环境饮用水pH水平下实现硝酸盐转化为N 2的突破。在此之前,硝酸盐的光催化还原可能最适合在IEx工艺中处理硝酸盐,(14)这将允许更长时间使用盐水,从而降低与其处理相关的成本和操作要求。
前途
催化处理有利于现有的处理技术,因为它们直接将硝酸盐和亚硝酸盐转化为无毒产物,从而消除了对二级废物流的处理的需要。用于直接还原硝酸盐的催化系统的实际实施是积极研究的下一阶段。
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