● 摘要
随着工农业的发展以及人们生活水平的提高，硝酸盐污染已成为越来越严重的环境问题。硝酸盐是总氮的重要组成部分。硝酸盐氮除外界来源外，水中的亚硝酸盐和铵盐也会向硝酸盐转化。另外，由于硝酸盐在水体中的溶解度大、性质非常稳定，一般的物理化学方法很难将其去除。近年来，去除硝酸盐的主要方法有物理化学法、化学还原法、生物反硝化法、光催化还原法。其中,以零价铁还原法和二氧化钛光催化法为代表的化学还原法和光催化法，由于处理效果好、运行稳定，因而有着很好的发展前景。本研究以海绵铁为载体，采用蒸汽缓慢水解法制备了新型光催化剂TiO2/Fe0，考察了在该体系中催化剂光催化还原硝酸盐的性能，旨在为水中硝酸盐的修复开辟新的可循之路。本研究以海绵铁为填料转化水中硝酸盐，考察了海绵铁粒径、固液比及共存离子对硝酸盐转化效果的影响，并对转化产物和溶出的总铁进行了分析对比；通过动态试验研究了接触时间和进水硝酸盐浓度对硝酸盐转化的影响。结果表明：pH值对海绵铁转化硝酸盐具有重要影响，较低的pH有利于硝酸盐的转化；溶液中存在的Cl-和SO42-会与NO3-竞争海绵铁表面的反应活性点位，因而在一定程度上对硝酸盐的转化有抑制作用；接触时间对海绵铁转化硝酸盐也有很大的影响，试验条件下，最佳的接触时间为7.7 min，出水NO3-N的平均浓度为16.6 mg•L-1。产物分析表明，海绵铁与硝酸盐反应的主要产物是NH4+-N。 以海绵铁为载体，通过蒸汽缓慢水解法制备了新型光催化剂—TiO2/Fe0，经SEM及XRD 对材料进行表征，表明制备的TiO2/Fe0催化剂证明主要为锐钛矿型，二氧化钛的负载对催化剂的粒径影响不大，有极少量的海绵铁铁在焙烧过程中形成了Fe3O4。本文研究了制备的该催化剂的光催化性能，主要考察了制备方法、焙烧温度、TiO2负载量、光源种类、溶解氧等参数对硝酸盐转化的影响。结果表明，蒸汽缓慢水解法制备的催化剂处理硝酸盐的效果最好，催化剂的煅烧温度为450℃、TiO2最佳负载量为7.57%、波长254nm的紫外灯作为光源以及氮气为保护气为催化最优参数。以硝酸盐的转化率和对氮气的选择性大小评价TiO2/Fe0催化剂还原硝酸盐的性能。考察了在以甲酸为空穴捕集剂时，催化剂在紫外光照射下还原硝酸盐的效果以及对氮气的选择性。实验发现，甲酸作为空穴清除剂，对硝酸盐的还原效果影响很大。并在此基础上研究了，进水硝酸盐浓度以及水力停留时间对还原硝酸盐的影响。结果表明，甲酸浓度为0.027 mol.L-1、进水硝酸盐浓度为50 mg.L-1以及水力停留时间为6.7 min时，催化剂对硝酸盐的还原性能最好，在反应12h后，硝酸盐的转化率达到88.2 %，氮气的选择性60.9%。甲酸作为空穴清除剂的同时调节了溶液的pH，并且HCOO-接受二氧化钛激发产生的的h+会生成还原性很强的CO2．，对硝酸盐的还原起促进作用。从催化剂还原硝酸盐的机理来说，主要是TiO2/Fe0催化剂和甲酸两方面的共同作用。甲酸作为空穴清除剂的同时调节了溶液的pH，并且HCOO-接受二氧化钛激发产生的的h+会生成还原性很强的CO2．，对硝酸盐的还原起促进作用。TiO2/Fe0中零价铁主要作为电子的供体存在，还原水中硝酸盐。