——以硝態含氮廢水處理為例中介變量在調控電化學反應中的綜合應用19495.421949----2015年人口：倍糧食：倍氮肥生產含NO3-廢水研究問題：如何將含NO3-廢水處理成含NH4+態水？轉化原理：NO3-NH4+得8e-轉化方法：[1]化學還原法NO3-NH4+得8e-向含硝的酸性廢水中加入處理過的Fe屑,可能發生反應：4Fe+10H++NO3-=4Fe2++NH4++3H2O8Fe2++10H++NO3-=8Fe3++NH4++3H2O理論分析注：實驗前，鐵粉先用稀釋的H2SO4(pH=2)和丙酮預處理，再用去離子水沖洗數次。實驗證明思考：為什么反應60分鐘后速率加快？3Fe+NO3-+2H++H2O=Fe3O4

+NH4+運用XRD分析發現，實驗60分鐘時鐵粉表面開始有Fe3O4生成，該物質疏松、可導電。[2]電化學還原法3Fe+NO3-+2H++H2O=Fe3O4

+NH4+FeFe3O4NO3-+H+

負極正極負極：3Fe-8e-+4H2O=Fe3O4

+8H+正極：NO3-+10H++8e-=NH4++3H2O2Fe-6e-+4H2O=2FeOOH

+6H+直接反應：Fe+2H+=Fe2++H2研究問題：為什么初始pH不同，NO3-的去除率不同？一、原電池法還原反應體系分析理論分析實驗證明自變量H+

NO3-去除率

因變量Fe2+Fe3O4（導電）

FeFeOOH（不導電）路徑①與Fe直接化反利于不利于中介變量1.在初始pH＝的水體中投入足量鐵粉的同時，補充一定量的Fe2+2.同位素示蹤法證實Fe2+能與FeO(OH)反應生成Fe3O4路徑②研究問題：路徑①和路徑②哪個是影響NO3-的去除率的主要因素？Fe2++2FeOOH=Fe3O4

+2H+反應體系分析理論分析實驗證明自變量H+

NO3-去除率

因變量Fe2+Fe3O4（導電）

FeFeOOH（不導電）路徑①與Fe直接化反利于不利于中介變量路徑②研究問題：路徑①和路徑②哪個是影響NO3-的去除率的主要因素？其他條件與前面實驗相同，將足量鐵粉投入水體中，經1小時測定的去除率和pH對比之前數據：實驗結論：路徑①次要因素，路徑②主要因素反應體系分析理論分析實驗證明自變量H+

NO3-去除率

因變量Fe2+Fe3O4（導電）

FeFeOOH（不導電）路徑①直接化反

次要影響利于不利于中介變量路徑②主要影響研究問題：假設以最大節約Fe屑為原則，外加Fe2+化合價不變，理論上外加Fe2+與Fe屑的物質的量比是多少最合適呢？1.在初始pH＝的水體中投入足量鐵粉的同時，補充一定量的Fe2+8Fe+3NO3-+4Fe2++7H2O=4Fe3O4

+3NH4++2H+

Fe2++2FeOOH=Fe3O4

+2H+實驗證明NO3-+H+

掃描電鏡(SEM)圖像顯示了納米顆粒交聯的豐富三維通道的多孔結構原子分辨率掃描透射電子顯微鏡(STEM)顯示密集排列的Cu原子均勻分布在碳載體表面陰極材料：密集排列的銅原子均勻分布在碳載體表面（石墨烯單層）吸附原理：Cu-sag氮原子修飾凝膠（碳三維通道，銅單原子活性位點，可配位）研究問題：怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極得到電子，變成NH4+？子問題：1.怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極？2.怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極得到電子？3.怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極得到電子，變成NH4+？

二、電解池法還原理論分析實驗證明2e-↑2H+H2+2e-↑2H2OH2+2OH-+電壓高時：電壓低時：2H++NO3-

+2e-=NO2-+H2O電壓高時：8H++NO2-+6e-=NH4++2H2ONO2-擴散速率快NO2-

在催化劑表面吸附速率快同位素示蹤14NO2?優先研究問題：怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極得到電子，變成NH4+？實驗證明快慢更慢更快快中速低電壓高電壓低濃度研究問題：怎么實現更多的陰離子NO3-到陰極得到電子，變成NH4+？高濃度快慢更慢更快快中速低電壓高電壓低濃度高濃度高濃度超脈沖電壓