本發(fā)明屬于電化學(xué)，涉及赤泥，具體涉及一種赤泥的預(yù)處理方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氨是一種廣泛用于化肥和各種工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要化學(xué)物質(zhì)。傳統(tǒng)氨合成的haber?bosch工藝反應(yīng)條件苛刻并且使用甲烷作為氫源，導(dǎo)致了大量二氧化碳的排放對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，尋找一種更為清潔、可持續(xù)的氨生產(chǎn)替代工藝具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。與此同時(shí)，硝酸鹽是一種常見的氮源污染物，化石燃料的燃燒、氮肥的過度使用和硝酸鹽廢水的排放導(dǎo)致環(huán)境中的硝酸鹽不斷增加，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。此外，人體內(nèi)的胃腸道微生物可將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸，長(zhǎng)期接觸亞硝酸鹽會(huì)對(duì)人體造成損害，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致癌癥。

2、電催化硝酸鹽還原反應(yīng)產(chǎn)氨就提供了一種將廢氮重新利用來制備高附加值氨的有效方案。目前由于其涉及8個(gè)電子的轉(zhuǎn)移過程和復(fù)雜的反應(yīng)路徑導(dǎo)致多種副產(chǎn)物的產(chǎn)生，選擇性較差，以及競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)嚴(yán)重影響了法拉第效率。因此尋找具有高活性和高選擇性的電催化劑就尤為重要。

3、此外，赤泥是工業(yè)上常見的廢棄物，它們?cè)谔幚磉^程中產(chǎn)生的環(huán)境問題日益突出。然而，這些廢棄物中含有少量的鐵和其他金屬物質(zhì)，這為尋找一種可持續(xù)利用這些廢棄物的方法提供了可能。與此同時(shí)，電催化劑的工業(yè)應(yīng)用需求量大并且成本問題不容忽視，需要尋找更廉價(jià)高效的催化劑使其成為實(shí)際應(yīng)用的可行選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于以上，本發(fā)明的目的之一是提供一種赤泥的預(yù)處理方法，將赤泥進(jìn)行預(yù)處理，以期作為電催化劑使用，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化還原硝酸鹽產(chǎn)氨性能，使其在工業(yè)煙氣及工業(yè)廢水的處理中具有一定應(yīng)用價(jià)值。

2、本發(fā)明提供的一種赤泥的預(yù)處理方法，其具體包括以下步驟：

3、步驟1，對(duì)赤泥進(jìn)行高速離心，所述赤泥為煉鋁工業(yè)產(chǎn)生的廢渣；

4、步驟2，對(duì)離心后的赤泥進(jìn)行分3次水洗至中性，其中，首次采用ec=10～500us/cm的水進(jìn)行水洗5次、接著采用ec=1～10us/cm的水進(jìn)行水洗3次、最后采用ec≤5us/cm的水進(jìn)行水洗2次，每次水洗后過濾、最后80℃烘干；

5、步驟3，將步驟2所得赤泥與sio2、al2o3、cao混合，將混合樣品研磨成粉末，該粉末中元素以質(zhì)量百分比計(jì)為：w(fe):16.31、w(al):11.53%、w(si):20.30%、w(ca):5.81%，混合粉末與異丙醇、5wt%的nafion溶液混合，室溫下超聲25-35min得到混合均勻的分散液,然后滴到玻碳片上制備工作電極，控制玻碳片單位面積的赤泥粉末負(fù)載量為0.18μg；

6、步驟4，通過一個(gè)預(yù)還原過程,施加一定電位對(duì)步驟3得到的工作電極進(jìn)行電化學(xué)原位重構(gòu)。

7、進(jìn)一步的，所述步驟3中，混合粉末為3mg，異丙醇為1ml，5wt%的nafion溶液為20μl,三者按照該比例混合。

8、進(jìn)一步的，步驟4中，所述預(yù)還原過程是將工作電極與參比電極(hg/hgo電極)置于陰極電解液中，其中，陰極電解液是1m?koh與0.1?m?kno3的混合溶液，對(duì)電極（鉑片電極）置于陽極電解液中，陽極電解液為1m?koh；施加電位為-0.8v(vs.?rhe)，直至電流密度達(dá)到穩(wěn)定。

9、本發(fā)明另一目的在于提供一種赤泥材料在電催化硝酸鹽還原產(chǎn)氨中的應(yīng)用，具體為：

10、步驟1，在氣密性良好三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試；

11、步驟2，施加不同陰極電位，保持一定時(shí)間后測(cè)量一定電位下的氨產(chǎn)率和法拉第效率。

12、進(jìn)一步的，步驟1所述的電化學(xué)性能測(cè)試是將預(yù)還原后的工作電極與參比電極（hg/hgo電極)置于陰極電解液中，陰極電解液是1m?koh與0.1?m?kno3的混合溶液，對(duì)電極（pt片電極)置于陽極電解液中，陽極電解液為1m?koh。

13、進(jìn)一步的，步驟2中，施加不同陰極電位為?0.4v、?0.5v、?0.6v、0.7、?0.8v(vs.rhe)，測(cè)試時(shí)間為600s，氯化銨作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用靛酚藍(lán)顯色法對(duì)氨的濃度進(jìn)行定量測(cè)量。

14、本發(fā)明將赤泥進(jìn)行預(yù)處理后將其作為催化劑應(yīng)用于電催化硝酸鹽還原反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電化學(xué)原位還原步驟將材料表面部分fe3+重構(gòu)為fe0，這種結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化顯著提升了材料的電催化效率；其用于電催化硝酸鹽還原合成氨時(shí)，能實(shí)現(xiàn)高氨產(chǎn)率以及高氨fe，在-0.8v(vs.?rhe)下氨產(chǎn)率為3.34?mol?h-1?gcat-1，法拉第效率達(dá)到90.91%。除此之外，這一優(yōu)異的催化性能也可使用在工業(yè)煙氣處理、或工業(yè)廢水處理中。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1.原料來源廣泛，成本低廉：本發(fā)明提供的赤泥是全球范圍內(nèi)的工業(yè)廢棄物，分布廣泛，將其用于電催化硝酸根還原合成氨，不僅在降低傳統(tǒng)催化劑工業(yè)生產(chǎn)成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還為赤泥的回收利用提供另一種解決方案。

17、2.產(chǎn)品催化性能好：本發(fā)明提供的赤泥在電催化硝酸根還原合成氨的施加電位范圍內(nèi)能夠保持90％以上的法拉第效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了-0.8v(vs.?rhe)電位下3.34?mol?h-1gcat-1的氨產(chǎn)率。

18、3.產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣：本發(fā)明提供的赤泥表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化還原硝酸鹽產(chǎn)氨性能，這也使其在工業(yè)煙氣及工業(yè)廢水的處理中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種赤泥的預(yù)處理方法，其具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種赤泥的預(yù)處理方法，其特征在于：所述步驟3中，混合粉末為3mg，異丙醇為1ml，5wt%的nafion溶液為20μl,三者按照該比例混合。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種赤泥的預(yù)處理方法，其特征在于：所述步驟4中，所述預(yù)還原過程是將工作電極與參比電極hg/hgo電極置于陰極電解液中，其中，陰極電解液是1mkoh與0.1?m?kno3的混合溶液，對(duì)電極鉑片電極置于陽極電解液中，陽極電解液為1m?koh；施加電位為-0.8v(vs.?rhe)，直至電流密度達(dá)到穩(wěn)定。

4.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述方法得到的赤泥材料在電催化硝酸鹽還原產(chǎn)氨中的應(yīng)用。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述赤泥材料在電催化硝酸鹽還原產(chǎn)氨中的應(yīng)用方法，其特征在于：具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述赤泥材料在電催化硝酸鹽還原產(chǎn)氨中的應(yīng)用方法，其特征在于：所述步驟1中，電化學(xué)性能測(cè)試是將預(yù)還原后的工作電極與參比電極hg/hgo電極置于陰極電解液中，陰極電解液是1m?koh與0.1?m?kno3的混合溶液，對(duì)電極pt片電極置于陽極電解液中，陽極電解液為1m?koh。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述赤泥材料在電催化硝酸鹽還原產(chǎn)氨中的應(yīng)用方法，其特征在于：所述步驟2中，施加不同陰極電位為?0.4v、?0.5v、?0.6v、0.7、?0.8v(vs.?rhe)，測(cè)試時(shí)間為600s，氯化銨作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用靛酚藍(lán)顯色法對(duì)氨的濃度進(jìn)行定量測(cè)量。

8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述方法得到的赤泥材料在在工業(yè)煙氣處理、或工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電催化技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種赤泥的預(yù)處理方法及其應(yīng)用，將煉鋁工業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢物赤泥進(jìn)行回收，對(duì)其高速離心后，對(duì)其進(jìn)行分次水洗至中性，過濾、烘干、研磨成粉，制備工作電極；通過一個(gè)預(yù)還原步驟,施加一定電位對(duì)工作電極進(jìn)行電化學(xué)原位重構(gòu)。通過預(yù)還原步驟將表面部分Fe3+重構(gòu)為高活性的Fe0。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了赤泥作為電催化劑應(yīng)用在硝酸鹽還原反應(yīng)中，催化性能好，產(chǎn)氨性能優(yōu)異，同時(shí)，也可應(yīng)用于工業(yè)煙氣及工業(yè)廢水的處理中。

技術(shù)研發(fā)人員：楊海東,劉曉倩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9