復極性三維電極法處理硝基苯廢水的實驗研究

肖 智, 陸雪梅, 徐炎華

(南京工業大學環境學院,江蘇南京 210009)

0 引 言

硝基苯是應用廣泛的化工基礎原料。環境中的硝基苯主要來自石油化工廠和染料廠的廢水、廢氣等。由于硝基苯可經皮膚、呼吸道等多途徑吸收,并具有高毒性和難降解性,嚴重威脅人類和其它生物的健康,因而成為我國優先控制的污染物[1-2]。因此,如何治理和消除此類化合物對環境的污染以及對生物的危害已成為環保工作者的研究熱點。

目前,國內外硝基苯廢水的處理方法主要有物理法、化學法和生物法等。生物法雖然環境安全性高、運行成本低,但因硝基苯的生物毒性較強,通常需預處理后方可采用此法處理[3-4]。而活性炭吸附、萃取等物理化學方法處理硝基苯廢水,又大都存在運行費用高、處理效果不夠理想等問題。三維電極是一種新型的電化學反應器,又叫粒子電極或床電極。它是在傳統二維電解槽電極間裝填粒狀或其它碎屑狀工作電極材料,由主電極供給電流,使裝填的工作電極材料表面帶電,成為新的電極,從而大大增加工作電極表面積,減小反應物遷移的距離,提高電解效率,成為有效處理有害有機物的新方法[5]。該法作為一項新興的高級氧化技術,具有處理效果好、電流效率高及無二次污染等優點,在硝基苯廢水處理領域具有廣闊的應用前景。

文中采用復極性三維電極法處理硝基苯模擬廢水,系統考察了反應過程中的影響因素及變化規律,并對各種影響因素進行優化,為其工業化應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

722可見分光光度計,上海棱光技術有限公司;

PHS-3C型pH計,上海精密科學儀器有限公司;

電解槽(有機玻璃,20 cm×10 cm×10 cm),自制。

硝基苯、乙醇、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、亞硝酸鈉、氨基磺酸銨、萘乙二胺,均為分析純;

顆?；钚蕴?工業級;實驗用水為超純水。

1.2 實驗廢水

實驗對象為硝基苯模擬廢水:以乙醇為溶劑,將硝基苯配制于乙醇溶液中,模擬廢水的COD值約為 35000mg/L,硝基苯濃度約為260 mg/L。

1.3 分析方法

硝基苯按照還原-偶氮光度法(GB/T13194-1991)測定;

COD按照標準回流法(GB/T11914-1989)測定。

1.4 顆?；钚蕴康念A處理

將顆粒活性炭分別經酸洗、堿洗、水洗后,在105℃下烘干待用。將上述烘干后的顆粒活性炭若干與150 mL硝基苯模擬廢水倒入250 mL錐形瓶中,在搖床內振蕩8 h后,測定錐形瓶內廢水中硝基苯的平衡濃度;反復進行上述吸附實驗,當硝基苯初始濃度和平衡濃度基本一致時,活性炭吸附飽和,可投加到電解槽內進行電解實驗。

1.5 實驗方法

實驗采用的電解槽以石墨為陽極,鐵板為陰極。將配制好的硝基苯模擬廢水加入電解槽中進行電化學氧化反應。采用單因素實驗法,以廢水COD和硝基苯去除率為主要評價指標,考察電解電壓、反應時間、顆?；钚蕴客都恿?、電極板間距、電解質質量、廢水的初始pH值等條件對脫除效果的影響。

2 結果與討論

影響復極性三維電極法處理有機廢水效果的因素主要有電解電壓、反應時間、活性炭填充量、電極間距、廢水初始pH 值等[5-9]。

2.1 電解電壓的影響

在廢水量為1000 mL,電極板間距為4 cm,活性炭填充量為25 g,廢水初始pH值約為7.0的條件下,選定電壓范圍為 10～20V,每隔15 min取樣,考察電解電壓對COD及硝基苯去除率的影響,如圖1所示。

圖1 電解電壓對硝基苯和COD去除率的影響

從圖1可以看出,COD和硝基苯的去除率隨著電解電壓的增大而增大。這主要是因為電解電壓越大,溶液中的反應電流就越大,活性炭粒子的電解池反應效率就越高,電解過程產生的·OH自由基也越多。所以,在反應開始階段,去除率隨電壓增大而迅速增大。考慮到繼續升高電解電壓可能會發生劇烈的副反應。因此,實驗小試中,選擇電解電壓為20V左右。反應時間為60 min時,硝基苯去除率和COD去除率分別達80%和50%以上。

2.2 反應時間的影響

反應時間是影響處理效果的一個重要因素?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,廢水初始pH值約為7.0,電極板間距為4 cm,活性炭填充量為25 g,考察電解時間對COD去除率及硝基苯去除率的影響,如圖2所示。

圖2 反應時間對硝基苯和COD去除率的影響

由圖2可見,在反應前60 min內,COD和硝基苯的去除率隨反應時間的延長而迅速增大。當反應時間超過60 min以后,去除率基本維持穩定。這可能是因為反應一定時間后,發生了一些副反應,或生成了難以被處理的中間體,致使COD和硝基苯的去除率不再增加。因此,實驗確定的最佳反應時間為60 min。

2.3 顆?；钚蕴刻畛淞康挠绊?/h3>

不同活性炭投加量對廢水的處理效果也不同。增加活性炭填充量,可以提高溶液中的反應電流,從而提高處理效果?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,廢水初始pH值約為7.0,電極板間距為4 cm,反應時間為60 min,考察活性炭填充量對COD去除率及硝基苯去除率的影響,如圖3所示。

圖3 活性炭填充量對硝基苯和COD去除率的影響

從圖3可以看出,當活性炭填充量小于25 g時,隨著活性炭填充量的增加,COD和硝基苯去除率呈迅速增大趨勢;而當活性炭填充量高于25 g時,隨著填充量的繼續增加,去除率增加趨勢變緩。這可能是由于活性炭過量時,增加了粒子間的短路電流,導致部分粒子電極沉淀在反應器底部,而起不到催化作用。實驗確定活性炭最佳填充量為25 g/L。

2.4 電極板間距的影響

電極板間距的大小也直接影響三維電極對有機廢水的處理效果?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,活性炭為25 g,廢水初始pH值約為7.0,反應時間為60 min,考察電極板間距對COD和硝基苯去除率的影響,如圖4所示。

圖4 電極板間距對硝基苯和COD去除率的影響

從圖4可以看出,廢水處理效果隨電極板間距增大呈增大趨勢。但是電極板間距過大時,有機物去除效果反呈下降趨勢。這可能是由于電極板間距的變化引起了反應體系的電阻變化,導致電解過程副反應的增加,因而對廢水的處理效果下降;也可能是由于隨著電極板間距的增大,極板間相對廢水的含量較多,使得溶液中無用的旁路電流增多。因此,實驗小試選取電極板間距為4 cm。

2.5 廢水初始pH值的影響

試驗采用硫酸和氫氧化鈉調節進水pH值,實驗條件為電壓20V,廢水量1000 mL,板間距4 cm,活性炭填充量25 g,反應時間60 min,考察不同的廢水初始pH值對處理效率的影響,如圖5所示。

圖5 廢水初始pH值對硝基苯和COD去除率的影響

從圖5可以看出,廢水的初始pH值對處理效果有一定的影響,在pH值為6.0～7.0的弱酸性條件下,去除率比其它條件下稍高。這是由于弱酸性條件下,反應產生的過氧化氫能夠直接氧化廢水中的硝基苯及其中間產物,從而提高對廢水的處理效果。因此,實驗選擇廢水的初始pH值為6.0～7.0。

2.6 電解質投加量的影響

在電解液中加入一定量的電解質可以增大溶液的導電性。實驗探討了不同電解質投加量對處理效果的影響。控制實驗條件為:電解電壓20V,廢水量1000 mL,廢水的初始pH值約為7.0,板間距4 cm,活性炭質量25 g,反應時間60 min,如圖6所示。

從圖6可見,隨著電解質投加量的增加,硝基苯去除率先增加,后減少,COD去除率也是如此。這是由于當電解質的投加量小于0.8 g/L時,電解質主要起導電的作用,從而提高了體系的電流強度,使處理效果增加顯著。而當電解質投加過量時,電流強度過大(主要是短路電流),可能會導致副反應的發生,反而使處理效果變差。因此,實驗選取電解質的投加量為0.8 g/L。

圖6 電解質投加量對硝基苯和COD去除率的影響

3 結 語

實驗采用復極性三維電極對硝基苯模擬廢水進行降解處理,著重研究了電解電壓、停留時間、活性炭投加量、電極間距、廢水初始pH值等多種因素對硝基苯及COD脫除效率的影響。實驗確定的最佳反應條件為:電解電壓20V,停留時間60 min,活性炭投加量25 g/L,電極間距4 cm,廢水的初始 pH值6.0～7.0,電解質的投加0.8 g/L。在此條件下,復極性三維電極法對廢水的硝基苯及COD去除率分別達到80%和50%以上。

與傳統的二維電極相比,三維電極顯示出極大的優越性,大大提高了對高濃度有機難降解廢水的處理效果,在有機廢水處理領域有著廣泛的應用前景。

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