Мембраны из углеродных нанотрубок с модификацией Pd-Cu эффективно снижают уровень нитратов с помощью электрокатализа
Избыток нитратов в воде из-за сброса промышленных стоков и чрезмерного использования удобрений негативно влияет на жизнь и деятельность человека. Международная команда исследователей изучила важную задачу и сложности эффективного удаления нитратов.
Для удаления нитратов применяются различные методы. Биологическое денитрификация технологически зрело, экономично и широко используется, но процессы идут медленно и чувствительны к переменным условиям среды, таким как температура и наличие углеродного субстрата. Исследователи считают, что электрокаталитическая технология — перспективный метод, так как не требует химикатов, не производит осадка и удобна в реализации.
Большинство современных электродов для электрокаталитического восстановления нитратов — это обычные пластинчатые катоды в реакторах с параллельными пластинами, где сильно ограничен массоперенос, что снижает общую скорость процесса. Ранее сообщалось о новых реактивных электрохимических мембранах (REMs), но сложность их синтеза и высокая стоимость препятствовали практическому применению.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Университета Миньцзу Китая и Уханьского университета приготовили модифицированную Pd-Cu мембрану из углеродных нанотрубок методом электроосаждения и использовали её для восстановления нитратов в проточном электрохимическом реакторе.
Исследование показало, что мембрана с соотношением Pd : Cu = 1:1 продемонстрировала относительно высокую эффективность удаления нитратов и селективность по N2. Работа «Электрокаталитическое восстановление нитратов с использованием модифицированных Pd-Cu мембран из углеродных нанотрубок» опубликована в журнале Frontiers of Environmental Science & Engineering.
Ключевые результаты исследования
Оптимальные параметры осаждения: Согласно результатам линейной вольтамперометрии, оптимальный потенциал и время соосаждения Pd и Cu составили −0.7 В и 5 минут соответственно.
Влияние состава и потенциала: Мембрана с соотношением Pd : Cu = 1:1 показала наилучшие результаты. Нитрат почти полностью восстанавливался (99%) при потенциалах ниже −1.2 В, однако оптимальным с точки зрения эффективности и селективности продуктов оказался потенциал −0.8 В. При этом эффективность удаления нитрата составила 56.2%, а селективность по N2~ — 23.8%.
Влияние условий раствора: Удаление нитратов усиливалось в кислых условиях, но селективность по N2 снижалась. Концентрации ионов Cl− и растворённого кислорода практически не влияли на процесс.
Эффект проточного режима: Оценка влияния потока через мембрану показала значительное улучшение массопереноса. Константа скорости массопереноса увеличилась в 6.6 раз — с 1.14 × 10−3 м/ч при потоке 1 л/(м²·ч) до 8.71 × 10−3 м/ч при потоке 15 л/(м²·ч). Это привело к существенному росту скорости удаления нитрата с 13.6 до 133.5 мг/(м²·ч).
Вывод: Успешно приготовленные методом электроосаждения Pd-Cu модифицированные мембраны из углеродных нанотрубок и созданная на их основе проточная электрокаталитическая система имеют широкие перспективы для эффективного восстановления нитратов и заслуживают дальнейшей доработки для практического применения.