電催化氧化電極性能對處理維尼綸廢水效果的影響研究

孫劍飛,于明瑞,蔡月珍

(11浙江富春紫光環(huán)保股份有限公司,浙江杭州310012;21江蘇省交通科學(xué)研究院,江蘇南京210000;31臨海市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,浙江臨海317000)

電催化氧化電極性能對處理維尼綸廢水效果的影響研究

孫劍飛1,于明瑞2,蔡月珍3

(11浙江富春紫光環(huán)保股份有限公司,浙江杭州310012;21江蘇省交通科學(xué)研究院,江蘇南京210000;31臨海市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,浙江臨海317000)

采用電催化氧化法對維尼綸廢水進(jìn)行處理,可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。在自制的電催化氧化裝置中進(jìn)行了電極電催化氧化性能研究,結(jié)果表明,在相同的處理?xiàng)l件下,負(fù)載中間層+活性層的電極處理效果優(yōu)于只負(fù)載中間層或活性層的電極;電極最佳負(fù)載成分為:Sn/Sb摩爾比為1;活性層Ru摩爾百分比為35%;中間層負(fù)載量為015g,即負(fù)載12次;活性層負(fù)載量為0148g,即負(fù)載15次。

維尼綸廢水;電催化氧化;電極

在紡織業(yè)廢水中,維尼綸、纖維素等難生物降解廢水占很大比重,而且隨著人造纖維的大量應(yīng)用,維尼綸廢水排放量也將不斷增大。傳統(tǒng)處理維尼綸廢水的方法有生化法、超濾法[1,2]。工業(yè)維尼綸廢水中BOD5/COD為0101～0104,生化性很差,常規(guī)的生物處理對維尼綸的去除率很低[3]。由于維尼綸化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,因此,其生產(chǎn)廢水排放后,會(huì)對環(huán)境造成極大的危害[4]。高級氧化技術(shù)可以克服生物、超濾等方法的局限,能夠達(dá)到很好的處理效果,又可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[5]。而電化學(xué)水處理技術(shù)被稱為“環(huán)境友好”技術(shù),具有無需添加化學(xué)藥劑、設(shè)備體積小占地少、便于自動(dòng)控制、不產(chǎn)生二次污染等許多優(yōu)點(diǎn),受到國內(nèi)外的關(guān)注。

在電催化氧化處理廢水工藝中,最大限度地提高電催化氧化反應(yīng)速度,提高電極電催化氧化活性一直是研究的焦點(diǎn)。電極活性不僅受電極主要活性組分的影響,而且受到電極制備工藝的影響[6]。本文研究了電極中各元素的負(fù)載成分、負(fù)載比例、負(fù)載量對電極電催化氧化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 電催化氧化電極的制備

1.1.1 載體預(yù)處理

以泡沫鎳片作為電催化氧化電極的載體。載體經(jīng)堿洗酸洗預(yù)處理去除表面的油污、有機(jī)物等雜質(zhì),清理表面可能存在的氧化物。

堿洗:將10gNaOH、10gNa3PO4和10gNa2CO3配成500ml的溶液,在電阻爐上加熱至沸騰,將泡沫鎳片浸于此溶液中30min,用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。

酸洗:將堿洗后的泡沫鎳片置于1wt%硫酸溶液中浸30min,用乙醇沖洗干凈,自然晾干。

1.1.2 中間涂層的負(fù)載

稱取1145gSb2O3、3151gSnCl4·5H2O(摩爾比Sb∶Sn=1∶1)完全溶解于16ml鹽酸中,加入100ml正丁醇,攪拌、混勻,制得中間涂層液。將中間涂層液均勻涂刷于電極載體,100℃烘干,500℃燒結(jié)10min,反復(fù)8次后500℃燒結(jié)5h,制得電極基體。

1.1.3 表面層的負(fù)載

將CoCl2·6H2O、RuCl3按一定計(jì)量、比例溶于40ml乙二醇中,加入適量乙酰胺,攪拌均勻。再加入一定濃度檸檬酸,用氨水調(diào)節(jié)pH,在劇烈攪拌的情況下滴加蒸餾水,即得到溶膠。采用浸漬-提拉法涂膜,將制備好的電極基體以012cm/s的速度勻速提拉出液面,而后在空氣中晾干10min,100℃烘干,在馬弗爐中以5℃/min的速度升溫至500℃后保溫3h,重復(fù)以上步驟數(shù)次。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1為維尼綸廢水電催化氧化降解試驗(yàn)裝置。整個(gè)系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓直流電源、磁力攪拌器、電解槽及附件等組成,電解槽采用聚乙烯材料制成,自制的電催化氧化電極連接電源正極,石墨板連接電源負(fù)極,廢水降解效果以間歇批量方式取樣測定,電解液體積為200ml,用NaCl作為電催化氧化電解質(zhì),用NaOH調(diào)解pH值,磁力攪拌器以一定的速度攪拌以模擬水體流動(dòng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)載成分對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件為COD=1520mg/L,pH=710,電流密度為50mA/cm2,兩極板間距3cm,電解質(zhì)NaCl濃度300mg/L。以一定的速度攪拌,處理200ml的維尼綸廢水,分別考察單獨(dú)負(fù)載中間層、單獨(dú)負(fù)載活性層、全部負(fù)載的情況下,電極對維尼綸廢水的處理效果。

從圖2中可以看出,不同組分的電極對維尼綸廢水都有一定的處理效果,隨著時(shí)間的增加,去除效果都有所增加;只負(fù)載活性層電極處理效果明顯高于只負(fù)載中間層的電極,同時(shí)負(fù)載中間層和活性層后電極的廢水去除效果高于只負(fù)載活性層電極,這說明活性層對電催化氧化處理效果影響較大,中間層的負(fù)載能夠提高活性組分的催化氧化性能。

2.2 中間層組分熱處理溫度對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。以一定的速度攪拌,處理200ml的維尼綸廢水,主要考察了不同中間層熱處理溫度(300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃)對維尼綸處理效果的影響。

從圖3中可以看出,隨著中間層熱處理溫度的升高,維尼綸廢水的COD去除率不斷升高,當(dāng)溫度升到500℃時(shí),去除率最高;而后再升高溫度,廢水COD去除率有所下降。說明熱處理溫度對中間組分負(fù)載有很大的影響。溫度過低時(shí),錫銻的氧化物不能完全形成,從而使電極對廢水COD去除效果降低;但溫度過高時(shí),又容易使組分在載體表面燒結(jié)。

2.3 活性組分熱處理溫度對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。以一定的速度攪拌,處理200ml的維尼綸廢水,主要考察了不同中間層熱處理溫度(350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃)對維尼綸處理效果的影響。

從圖4中可以看出,隨著表面層熱處理溫度的升高,維尼綸廢水的COD去除率不斷升高,當(dāng)溫度升到550℃時(shí),去除率最高;再升高溫度,廢水COD去除率有所下降。

2.4 中間層組分比例對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。以一定的速度攪拌,處理200ml維尼綸廢水,主要考察了不同電極表層涂液中Sn、Sb摩爾比例(1∶2、1∶1、2∶1)對廢水COD去除效果的影響。從圖5中可以看出,不同Sn、Sb比例下,廢水COD去除率都隨著時(shí)間的增加逐漸增大;在相同的處理?xiàng)l件下,短時(shí)間內(nèi)不同Sn、Sb比例下的電極去除效果相差不大,40min后Sn、Sb的摩爾比為1∶1的電極處理效果高于其他兩種比例的電極,最高去除率可達(dá)70%以上,這說明中間層組分的比例對電極活性有一定的影響。

2.5 活性組分比例對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。以一定的速度攪拌,處理200ml維尼綸廢水,主要考察了不同電極表層涂液釕摩爾含量(5%、15%、25%、35%、45%)對維尼綸處理效果的影響。

從圖6可以看出,隨著處理時(shí)間的增加COD去除率不斷增長,當(dāng)時(shí)間為40min后,去除率趨于穩(wěn)定。在相同的處理?xiàng)l件下,隨著釕摩爾含量的增加去除效果首先增加而后有所下降,當(dāng)釕摩爾含量為35%時(shí),廢水COD去除率高于其他4種比例電極的去除率,其最高去除率可達(dá)71%,處理效果最好。

2.6 中間層組分負(fù)載量對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。以一定的速度攪拌,處理200ml的維尼綸廢水,主要考察了不同中間層組分負(fù)載量(即不同負(fù)載次數(shù))對維尼綸處理效果的影響。從圖7中可以看出,不同中間層組分負(fù)載量的電極對廢水COD去除率都隨著處理時(shí)間的增加而增大。在相同的處理時(shí)間條件下,去除率首先隨著負(fù)載量的增加而增大,當(dāng)負(fù)載量為015076g時(shí)去除率達(dá)到最大,其最大去除率可達(dá)到75%,繼續(xù)增大負(fù)載量,去除率基本不變。這說明015076g負(fù)載量為最佳負(fù)載量,當(dāng)負(fù)載量較少時(shí),由于中間層組分較少,中間層組分對廢水氧化會(huì)減弱,同時(shí)還會(huì)影響活性組分的負(fù)載,從而去除率較低;中間層組分過多對電極的活性影響不大,但是負(fù)載量過多會(huì)造成浪費(fèi)。在后續(xù)試驗(yàn)中,選擇中間層負(fù)載量015g左右。

2.7 活性組分負(fù)載量對電極性能影響

實(shí)驗(yàn)條件同上。處理200ml的維尼綸廢水,主要考察了不同活性組分負(fù)載量對維尼綸處理效果的影響。從圖8中可以看出,不同負(fù)載量電極COD去除率都隨著處理時(shí)間的增加逐漸增大。在相同的處理時(shí)間條件下,去除率首先隨著負(fù)載量的增加而增大,當(dāng)負(fù)載量為01481g時(shí)去除率達(dá)到最大,其最大去除率可達(dá)75168%,繼續(xù)增大負(fù)載量,去除率反而減小。說明01481g負(fù)載量為最佳負(fù)載量,當(dāng)負(fù)載量較少時(shí),由于活性組分少,會(huì)大大降低反應(yīng)物與活性組分接觸反應(yīng)幾率,從而去除率較低;當(dāng)負(fù)載量過大時(shí),電極表面負(fù)載層過厚使得電極比表面積有所降低,從而使電極活性有所降低。在后續(xù)試驗(yàn)中,選擇活性組分負(fù)載量為0148g左右。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)條件為COD=1520mg/L,pH=710,電流密度為50mA/cm2,兩極板間距3cm,電解質(zhì)NaCl濃度300mg/L,以一定的速度攪拌,處理200ml的維尼綸廢水,研究了電極中各元素的負(fù)載成分、負(fù)載比例、負(fù)載量對電極電催化氧化性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,負(fù)載中間層+活性層的電極處理效果最好,單獨(dú)負(fù)載中間層的電極處理效果最小。電極最佳中間層熱處理溫度為500℃,最佳表面層熱處理溫度為550℃,電極最佳負(fù)載成分為:Sn、Sb摩爾比為1∶1;活性層中釕摩爾百分比為35%;中間層負(fù)載量為015g左右,即負(fù)載12次;活性層負(fù)載量為0148g左右,即負(fù)載15次。

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Study on Effect Analysis of Performances of Electrocatalysis Oxidation Electrode Treating Vinylon Wastewater

SUN Jian2fei1,YU Ming2rui2,CA I Yue2zhen3
(1.Zhejiang Fuchun Ziguang Environmental Protection Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 310012 China)

The wastewaterof vinylon can discharge with reaching the national standard by using electrocatalysisoxi2 dation electrode method.The research on perfor mances of electrocatalysis oxidation electrode is conducted.The re2 sults revealed that the effect of combining both loading interlayer and active layer is better than the effect of loading interlayer and active layer merely under the same treatment condition.The molar rate of the best loading compo2 nentswith Sn/Sb is 1,and the molar percentage of Ru in the active layer is 35%,the loading amount of the inter2 layer is 0.5g,which is 12 times,and the loading amount of the active layer is 0.48g,which is 15 ti mes.

vinylon wastewater;electrocatalysis oxidation;oxidation

X703

A

1673-9655(2010)05-0056-04

2010-05-17

孫劍飛(1980-),男,漢族,本科,工程師,主要從事污水處理技術(shù)與管理工作。