高三化学一轮复习中介变量在调控电化学反应中的综合应用-以硝态含氮废水处理为例复习课课件

——以硝态含氮废水处理为例中介变量在调控电化学反应中的综合应用19495.421949----2015年人口：倍粮食：倍氮肥生产含NO3-废水研究问题：如何将含NO3-废水处理成含NH4+态水？转化原理：NO3-NH4+得8e-转化方法：[1]化学还原法NO3-NH4+得8e-向含硝的酸性废水中加入处理过的Fe屑,可能发生反应：4Fe+10H++NO3-=4Fe2++NH4++3H2O8Fe2++10H++NO3-=8Fe3++NH4++3H2O理论分析注：实验前，铁粉先用稀释的H2SO4(pH=2)和丙酮预处理，再用去离子水冲洗数次。实验证明思考：为什么反应60分钟后速率加快？3Fe+NO3-+2H++H2O=Fe3O4

+NH4+运用XRD分析发现，实验60分钟时铁粉表面开始有Fe3O4生成，该物质疏松、可导电。[2]电化学还原法3Fe+NO3-+2H++H2O=Fe3O4

+NH4+FeFe3O4NO3-+H+

负极正极负极：3Fe-8e-+4H2O=Fe3O4

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

+6H+直接反应：Fe+2H+=Fe2++H2研究问题：为什么初始pH不同，NO3-的去除率不同？一、原电池法还原反应体系分析理论分析实验证明自变量H+

NO3-去除率

因变量Fe2+Fe3O4（导电）

FeFeOOH（不导电）路径①与Fe直接化反利于不利于中介变量1.在初始pH＝的水体中投入足量铁粉的同时，补充一定量的Fe2+2.同位素示踪法证实Fe2+能与FeO(OH)反应生成Fe3O4路径②研究问题：路径①和路径②哪个是影响NO3-的去除率的主要因素？Fe2++2FeOOH=Fe3O4

+2H+反应体系分析理论分析实验证明自变量H+

NO3-去除率

因变量Fe2+Fe3O4（导电）

FeFeOOH（不导电）路径①与Fe直接化反利于不利于中介变量路径②研究问题：路径①和路径②哪个是影响NO3-的去除率的主要因素？其他条件与前面实验相同，将足量铁粉投入水体中，经1小时测定的去除率和pH对比之前数据：实验结论：路径①次要因素，路径②主要因素反应体系分析理论分析实验证明自变量H+

NO3-去除率

因变量Fe2+Fe3O4（导电）

FeFeOOH（不导电）路径①直接化反

次要影响利于不利于中介变量路径②主要影响研究问题：假设以最大节约Fe屑为原则，外加Fe2+化合价不变，理论上外加Fe2+与Fe屑的物质的量比是多少最合适呢？1.在初始pH＝的水体中投入足量铁粉的同时，补充一定量的Fe2+8Fe+3NO3-+4Fe2++7H2O=4Fe3O4

+3NH4++2H+

Fe2++2FeOOH=Fe3O4

+2H+实验证明NO3-+H+

扫描电镜(SEM)图像显示了纳米颗粒交联的丰富三维通道的多孔结构原子分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)显示密集排列的Cu原子均匀分布在碳载体表面阴极材料：密集排列的铜原子均匀分布在碳载体表面（石墨烯单层）吸附原理：Cu-sag氮原子修饰凝胶（碳三维通道，铜单原子活性位点，可配位）研究问题：怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极得到电子，变成NH4+？子问题：1.怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极？2.怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极得到电子？3.怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极得到电子，变成NH4+？

二、电解池法还原理论分析实验证明2e-↑2H+H2+2e-↑2H2OH2+2OH-+电压高时：电压低时：2H++NO3-

+2e-=NO2-+H2O电压高时：8H++NO2-+6e-=NH4++2H2ONO2-扩散速率快NO2-

在催化剂表面吸附速率快同位素示踪14NO2−优先研究问题：怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极得到电子，变成NH4+？实验证明快慢更慢更快快中速低电压高电压低浓度研究问题：怎么实现更多的阴离子NO3-到阴极得到电子，变成NH4+？高浓度快慢更慢更快快中速低电压高电压低浓度高浓度高浓度超脉冲电压