In this study, nitrate reduction of real groundwater sample by 2.2%Cu-1.6%Pd-hematite catalyst was evaluated at different nitrate concentrations, catalyst concentrations, and recycling. Results show that the nitrate reduction is improved by increasing the catalyst concentration. Specific nitrate removal by 2.2%Cu-1.6%Pd-hematite increased linearly with the increase of nitrate concentration showing that the catalyst possesses significantly higher reduction capacity. More than 95% nitrate reduction was observed over five recycles by 2.2%Cu-1.6%Pd-hematite with ~56% nitrogen selectivity in all recycling batches. The results from this study indicate that stable reduction of nitrate in groundwater can be achieved by 2.2%Cu-1.6%Pd-hematite over the wide range of initial nitrate inputs.
In this study, the effect of initial nitrate loading on nitrate removal and byproduct selectivity was evaluated in a continuous system. Nitrate removal decreased from 100% to 25% with the increase in nitrate loading from 10 to $300mg/L\;NO_3-N$. Ammonium selectivity decreased and nitrite selectivity increased, while nitrogen selectivity showed a peak shape in the same range of nitrate loading. The nitrate removal was enhanced at low catalyst to nitrate ratios and 100% nitrate removal was achieved at catalyst to nitrate ratio of ${\geq}33mg\;catalyst/mg\;NO_3-N$. Maximum nitrogen selectivity (47%) was observed at $66mg\;catalyst/mg\;NO_3-N$, showing that continuous Cu-Pd-NZVI system has a maximum removal capacity of 37 mg $NO_3{^-}-N/g_{catalyst}/h$. The results from this study emphasize that nitrate reduction in a bimetallic catalytic system could be sensitive to changes in optimized regimes.
Lee, Jongkeun;Cha, Ho Young;Min, Kyung Jin;Cho, Jinwoo;Park, Ki Young
Membrane and Water Treatment
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제9권3호
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pp.189-194
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2018
Electrochemical reduction of nitrate was studied using Zn, Cu and (Ir+Ru)-Ti cathodes and Pt/Ti anode in a cell divided by an ion exchange membrane. During electrolysis, effects of the different cathode types on operating parameters (i.e., voltage, temperature and pH), nitrate removal efficiency and by-products (i.e., nitrite and ammonia) formation were investigated. Ammonia oxidation rate in the presence of NaCl was also determined using the different ratios of hypochlorous acid to ammonia. The operating parameter values were similar for all types of cathode materials and were maintained relatively constant. Nitrate was well reduced and converted mostly to ammonia using Zn and Cu cathodes. Ammonia, produced as a by-product of nitrate reduction, was oxidized in the presence of NaCl in the electrochemical process and the oxidation performance was enhanced upon increasing the hypochlorous acid-to-ammonia ratio to 1.09:1. Zn and Cu cathodes promoted the nitrate reduction to ammonia and the produced ammonia was finally removed from solution by reacting with hypochlorite ions. Using Zn or Cu cathodes, instead of noble metal cathodes, in the electrochemical process can be an alternative technology for nitrate-containing wastewater treatment.
Reduction of nitrate by zero valent iron (Fe$^{0}$ ) has been previously studied, but the proper treatment for the by-product of ammonium has not been reported. However, in terms of nitrogen contamination, ammonium may be regarded as another form of nitrogen contaminants since it can be oxidized to nitrate again under aerobic conditions. This study is focused on simultaneous removal of nitrate and its by-product of ammonium, with the ZanF (Zeolite anchored Fe), a product derived from zeolite modified by Fe(II) chloride followed by reduction with sodium borohydride. Batch experiments were performed without buffer at two different pH condition with ZanF, iron filing, Fe(II)-sorbed zeolite, and pure zeolite to estimate the nitrate reduction and the ammonium production. At higher pH, removal rate of nitrate was reduced in both ZanF and iron filings. ZnF removed 60 % of nitrate at initial pH of 3.3 with no production of ammonium, while iron filing showed equivalent production of ammonium to the reduced amount of nitrate. In terms of nitrogen contamination, ZanF removed about 60 % and 40 % at initial pH of 3.3 and 6, respectively, while iron filing presented negligible removal against total nitrogen including nitrate and ammonium.
There was a decrease in nitrate reductase activity (NRA) measured in vivo in rice roots (Oryza sativa cv. Tongil) grown in anaerobic culture solution. But it was reversed by addition of malonate to the in vivo nitrate reduction assay medium. Malonate increased the in vivo NRA during 2-5 hours incubation and decreased it in longer incubation hours. In vivo NRA was stimulated by addition of NaHCO3 to the assay medium, but not by Na2CO3. The stimulation of NRA by NaHCO3 was not observed in shoot removed rice roots. It is suggested that CO2 from NaHCO3 is carboxylated by phosphoenol pyruvate carboxylase, results in increasing the malate contents in the roots, and stimulates the in vivo NRA. NADH needed in nitrate reduction is supported by malate oxidation. In rice roots, it seems probable that malate oxidation in the mitochondria is more important to nitrate reduction than malae oxidation in cytoplasm.
The use of support materials on the nanoparticle synthesis and applications has advantages in many aspects; resisting the aggregation and gelation of nanoparticles, providing more active sites by dispersing over the supports, and facilitating a filtering process. In order to elucidate the influence of the supports on the nitrate reduction reactivity, the supported iron nanoparticles were prepared by borohydride reduction of an aqueous iron salt in the presence of supports such as activated carbon, silica and polyethylene. The reactivity for nitrate reduction decreased in the order of unsupported Fe(0) > activated carbon(AC) supported Fe(0) > polyethylene(PE) supported Fe(0) ${\ge}$ silica supported Fe(0). Rate constants decrease with increasing initial nitrate concentration implying that the reaction is limited by the surface reaction kinetics.
A gallocyanine-bound nanoporous titanium dioxide electrode system was investigated to carry out a mediated enzyme reaction. Gallocyanine was bound either directly or through an aminopropylsilane linker to the film of nanoporous titanium dioxide and used as a mediator for nitrate reductase in the mediated enzymatic nitrate reduction. The electrode with the aminopropylsilane linker showed 20% higher efficiency of electron transfer at the same potential than that directly linked. The prepared electrodes showed $0.26{\mu}mol/h$ nitrate reduction at a $100mm^2$ surface of the electrode, and linear current response on nitrate ion concentration up to 1.0 mM, which is very useful as a biosensor of nitrate ion in water.
A lactic acid bacterium capable of anaerobic respiration was isolated from soil with ferric iron-containing glucose basal medium and identified as L. garvieae by using 16S rDNA sequence homology. The isolate reduced ferric iron, nitrate, and fumarate to ferrous iron, nitrite, and succinate, respectively, under anaerobic $N_2$ atmosphere. Growth of the isolate was increased about 30-39% in glucose basal medium containing nitrate and fumarate, but not in the medium containing ferric iron. Specifically, metabolic reduction of nitrate and fumarate is thought to be controlled by the specific genes fnr, encoding FNR-like protein, and nir, regulating fumarate-nitrate reductase. Reduction activity of ferric iron by the isolate was estimated physiologically, enzymologically, and electrochemically. The results obtained led us to propose that the isolate metabolized nitrate and fumarate as an electron acceptor and has specific enzymes capable of reducing ferric iron in coupling with anaerobic respiration.
The bioelectrochemical reduction of nitrate in the presence of various mediators including methyl viologen and azure A was studied using a 3-electrode voltammetric system. The catalytic potential for the reduction of the mediators was observed in the reactor, which for methyl viologen and azure A were -0.74 V and -0.32 V, respectively, with respect to the potential of Ag/AgCl reference electrode. This potential was then applied to a working electrode to reduce each mediator for enzymatic nitrate reduction. Nitrite, the product of the reaction, was measured to observe the enzymatic nitrate reduction in the reaction media. Methyl viologen was observed as the most efficient mediator among those tested, while azure A showed the highest electron efficiency at the intrinsic reduction potential when the mediated enzyme reactions were carried out with the freely solubilized mediator. The electron transfer of azure A with respect to time was due to the adhesion of azure A to the hydrophilic surface during the reduction. In addition, the use of the adsorbed mediator on conductive activated carbon was proposed to inhibit the change in the electron transfer rate during the reaction by maintaining a constant mediator concentration and active surface area of the electrode. Azure A showed better than nitrite formation than methyl viologen when used with activated carbon.
This paper presents the feasibility of using different iron oxides (microscale hematite (HT), microscale magnetite (MT), and nanoscale maghemite (NMH)) in enhancing nitrate reduction by zero-valent iron (Fe(0)) under two solution conditions (artificial acidic water and real groundwater). Addition of MT and NMH into Fe(0) system resulted in enhancement of nitrate reduction compared to Fe(0) along reaction, especially in groundwater condition, while HT had little effect on nitrate reduction in both solutions. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) analysis showed association of MT and NMH with Fe(0) surface, presumably due to magnetic attraction. The rate enhancement effect of the minerals is presumed to arise from its role as an electron mediator that facilitated electron transport from Fe(0) to nitrate. The greater enhancement of MT and NMH in groundwater was attributed to surface charge neutralization by calcium and magnesium ions in groundwater, which in turn facilitated adsorption of nitrate on Fe(0) surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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