水環(huán)境中硝酸根離子的特性分析

丁浩 安徽省城建設計研究總院股份有限公司

受持續(xù)增長的氨氮化肥用量、大量排放的工業(yè)污染物、處理不當?shù)纳钗鬯绊?，地下水及地表水硝酸鹽濃度均不斷提升，嚴重的水污染問題因此出現(xiàn)。為設法實現(xiàn)對水環(huán)境中硝酸根離子的催化利用，正是本文研究的目標所在。

一、水環(huán)境中硝酸根離子的特性分析

（一）強氧化性

水環(huán)境中硝酸根離子具備強氧化性特性，這種氧化性會隨環(huán)境pH 與硝酸根離子濃度發(fā)生變化，而結(jié)合相關研究可以發(fā)現(xiàn)，具備強氧化性能的硝酸根離子能夠影響鋁箔直流電蝕電極反應的具體過程，陰極受此影響能夠更快獲得電子，電子的轉(zhuǎn)移也能夠同時加快，陽極鋁箔將擁有更快的反應效率，隧道孔生長也將隨之促進。此外，酸性條件下硝酸根離子的強氧化性在修飾活性炭材料表面方面也能夠發(fā)揮積極作用，活性炭吸附能力可有效增強[1]。

（二）高溶解性

水體的硝酸根離子主要存在形式為硝酸鹽，水中硝酸鹽穩(wěn)定的性質(zhì)和高溶解度使得其難以去除。硝酸根離子和硝酸在地表水體及地下水中會導致水體酸化，生物量受此影響會出現(xiàn)顯著下降。由于水體富營養(yǎng)化會因氮出現(xiàn)，溶解氧濃度的降低會導致水體對人類健康造成負面影響，如引發(fā)人體血液供氧問題，癌癥的發(fā)生概率也可能提升。受化肥大量使用、工業(yè)和生活污水過度排放、隨意堆放畜禽糞便的影響，近年來地表淡水、地下水、海水的硝酸鹽濃度均不斷提升。

（三）光化學活性

硝酸根離子在天然水域中能夠通過光照激發(fā)形成羥基自由基、原子態(tài)氧、NO2、亞硝酸鹽。有機物會因羥基自由基氧化，硝酸鹽光污染效應也會隨之引發(fā)。NO2能夠與有機化合物發(fā)生作用，也能夠產(chǎn)生硝酸鹽，有機化合物誘變也可能導致亞硝基衍生物產(chǎn)生?；瘜W反應機理相似的硝酸鹽和亞硝酸鹽均能夠?qū)е铝u基自由基產(chǎn)生，半導體氧化物、硝酸鹽等物資可能導致NO2產(chǎn)生，硝化過程會因此強化。

二、水環(huán)境中硝酸根離子的利用路徑

（一）硝酸根離子的處理

對于水環(huán)境中硝酸根離子來說，現(xiàn)有方法主要包括生物法、物理法、催化轉(zhuǎn)化法，其中選擇性差、成本高的物理法僅能夠?qū)崿F(xiàn)硝酸鹽的濃縮或轉(zhuǎn)移，離子交換法、有膜分離法均屬于典型的物理法。生物法存在較慢的硝酸鹽脫除過程，且會導致大量生物污泥產(chǎn)生，對后續(xù)處理存在較高要求。催化轉(zhuǎn)化法可在地下水的自然水溫和水質(zhì)條件下開展，同時不會造成環(huán)境污染，因此通過該方法處理硝酸根離子屬于近年來的研究熱點。圍繞水環(huán)境中硝酸根離子的催化轉(zhuǎn)化法研究近年來大量涌現(xiàn)，光催化還原、電化學催化均屬于其中代表。以電化學催化為例，相關研究主要通過電極改性實現(xiàn)硝酸根離子的還原，石墨陰極通過碳納米管修飾在硝態(tài)氮去除中也有著出色表現(xiàn)，陰極電位負移的過程中硝酸根離子去除率也會隨之提升。光催化還原在經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢明顯，多相催化還原便屬于其中典型，還原劑選擇氫氣的光催化還原能夠較好實現(xiàn)脫氮目標。結(jié)合相關研究能夠了解到?？梢姽庹丈湎律傻墓馍娮釉谵D(zhuǎn)移過程中能夠提高硝酸根離子的還原效率，但受到硝酸根離子還原選擇性和活性影響，其對還原材料存在特定比例要求，這種選擇性要求屬于硝酸根離子處理研究的熱點[2]。

（二）硝酸根離子的應用

近年來國內(nèi)外學界圍繞硝酸根離子應用開展了大量理論研究和實踐探索，直接光降解、誘導光降解反應均屬于其中代表。所謂直接光降解，指的是利用硝酸根離子具備的光化學活性，光照射后硝酸根離子能夠生成羥基自由基和氮氧自由基，其中氧化活性較高的羥基自由基能夠快速與多數(shù)有機物發(fā)生反應，遷移轉(zhuǎn)化有機污染物可由此實現(xiàn)，如芳香族有機物的氧化、硝化。結(jié)合相關研究能夠發(fā)現(xiàn)，陽光照射下硝酸根離子的光化學活性對碳和氮的自然循環(huán)造成了極大影響，硝酸鹽與芳香族有機化合物的氧化反應也能夠深遠影響環(huán)境保護及有機污染物的去除。圍繞水環(huán)境中硝酸根離子發(fā)生的基本光化學反應進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，200～310nm 為硝酸根離子的特征吸收峰，紫外光輻射下的硝酸根離子能夠光解為羥基自由基和氮氧化物等活性物質(zhì)，硝酸根離子濃度、輻射光波長強度、水體pH 值、有機污染物濃度均會影響光解效果；所謂誘導光降解反應，指的是硝酸根離子激發(fā)態(tài)引發(fā)的光化學反應，如硝化、氧化、亞硝化等，氧化屬于主要反應類型。亞硝酸根離子具備的誘導性質(zhì)與硝酸根離子較為相似，其同時屬于羥基自由基的發(fā)生劑和淬滅劑。對于環(huán)境保護和去除有機污染物來說，硝酸鹽與芳香族有機化合物的氧化反應能夠帶來深遠影響。硝酸鹽在自然環(huán)境中的濃度高于亞硝酸鹽，但亞硝酸鹽具備較高的光解量子產(chǎn)率和光子摩爾吸收率，這使得其屬于強競爭力的典型光反應劑。硝酸鹽的光化學反應屬于亞硝酸鹽的環(huán)境來源之一，但作為光活性化合物的亞硝酸鹽本身說明其光化學反應性無法被解離，雖然在輻射吸收、光解量子產(chǎn)率、濃度值方面能夠發(fā)現(xiàn)二者對羥基自由基生成的貢獻值，但在去除污染物的作用方面，由于有機污染物、碳酸氫根離子、天然有機物與羥基自由基反應，這種作用被削弱。總之，環(huán)境因素會影響硝酸根溶液中污染物的光催化反應，具體涉及自由基淬滅劑、溶解氧、硝酸根離子濃度高低、溶液pH 值、有機污染物的濃度與結(jié)構(gòu)等。硝酸根離子在酸性條件下具備更高效率的光催化反應，羥基自由基的氧化反應在有氧存在時能夠產(chǎn)生更多羥基自由基，有機物質(zhì)在大量羥基自由基支持下能夠更快降解，小分子無毒物質(zhì)將由此通過大分子有機物轉(zhuǎn)換得到。如羥基自由基淬滅劑存在于體系中，硝酸根離子光催化體系降解有機物質(zhì)的效率和效果會受到較為明顯的制約。

三、結(jié)論

綜上所述，水環(huán)境中硝酸根離子的特性在“以廢治廢”中具備較高價值。在此基礎上，本文涉及的硝酸根離子處理、應用等內(nèi)容，則直觀展示了“以廢治廢”的思路。基于硝酸根離子的光催化氧化在有機污染物處理中擁有廣闊前景，具備構(gòu)造簡單、來源方便、能耗低等優(yōu)勢，如何充分發(fā)揮這種優(yōu)勢必須得到業(yè)內(nèi)人士重視。