亞甲基藍模擬廢水的電化學處理

李麗榮，王營茹，明銀安，楊慧楓，馬文梅

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

紡織印染廢水是主要工業廢水來源之一.染料種類多，有向著抗光解、抗生化和抗氧化等方向發展的趨勢，其廢水成分復雜、有機物含量高、可生化性差，所以紡織印染廢水的處理成為當今工業廢水處理的難點之一[1].色度的去除是印染廢水處理的關鍵所在，傳統水處理工藝有吸附、絮凝、氣浮、生物氧化、藥劑氧化及光催化氧化等，有的處理成本較高，有的不能達到較好的去除效果[2-4].近年來，電化學法引起人們的重視，其具有副產物少、單位體積負荷大、操作簡單、易控制等優點，是一種綠色廢水處理技術[5-8].隨著電化學科學和電力工業的發展，使處理成本大大降低，電化學技術已成為一類頗具競爭力的廢水處理方法.本試驗以鈦釕電極為陽極、不銹鋼鋼板為陰極，處理亞甲基藍模擬染料廢水，探究影響亞甲基藍處理效果的因素，并確定電解法處理亞甲基藍的最佳試驗條件.

1 試驗儀器及方法

1.1 試驗藥品

亞甲基藍(DP，中國醫藥集團上海化學試劑公司)，Na2SO4(AR，國藥集團化學試劑有限公司)，NaCl(AR，上海展云化工有限公司)，蒸餾水.

1.2 試驗儀器

GPS-4303C型多組輸出直流電源(固緯電子有限公司)，WJ-88型加熱攪拌器，722型可見分光光度計(天津市普瑞斯儀器有限公司)等.

1.3 模擬廢水的配制

用分析天平稱取2.000 g的亞甲基藍固體定容于1 L容量瓶中，配制成2 g/L的母液避光存放以備用.其他不同濃度的亞甲基藍染料廢水根據需要用母液稀釋配制.

1.4 試驗裝置和方法

用量筒量取200 mL亞甲基藍模擬廢水倒入250 mL燒杯中，鈦釕電極做陽極、不銹鋼鋼板做陰極，兩極板間距可調，加入一定量的電解質，于室溫下進行相關試驗，試驗裝置見圖1.間隔30 min取樣，稀釋適當倍數，靜置3～5 min后用可見分光光度計測定水樣中亞甲基藍的濃度(以去離子水為參比，測定其吸光度).

圖1 電化學試驗裝置圖Fig.1 Figure of electrochemical experiment device注：1.直流電源；2.加熱攪拌器；3.轉子；4.陰極；5.陽極；6.亞甲基藍模擬廢水

2 試驗結果與討論

2.1 外加電壓對亞甲基藍脫色率的影響

亞甲基藍初始質量濃度100 mg/L，電解質(NaCl)濃度為0.02 mol/L，鈦釕電極做陽極、鋼板做陰極，極板間距2 cm，電解時間2 h，在室溫、pH值不變的情況下，考察不同外加電壓對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖2所示.

圖2 外加電壓對亞甲基藍脫色率的影響Fig.2 Effect of applied voltage on the removal rate of methylene blue

由圖2可知：電壓從4 V上升到8 V，電解2 h，亞甲基藍的脫色率從31.8%上升到99.9%；同時，隨電壓增大，電極表面粉紅色氣泡增多.鄭輝等對電氧化法處理難生化化工有機廢水進行了試驗研究，結果表明隨電壓升高，陽極析出的氧雖然增多，但電化學氧化指數卻在降低，電流效率在降低[9].所以，考慮到電解過程的安全和經濟問題，在保證有機物能被充分降解的前提下，選擇7 V為適宜的電壓.

2.2 添加不同電解質對亞甲基藍脫色率的影響

亞甲基藍初始質量濃度100 mg/L，鈦釕電極做陽極，鋼板做陰極，外加電壓為7 V，極板間距2 cm，電解時間2 h，在室溫、pH值不變的情況下，考察濃度為0.02 mol/L不同電解質(NaCl和Na2SO4)對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖3所示.

圖3 不同電解質對亞甲基藍脫色率的影響Fig.3 Effect of different electrolyte on the removal rate of methylene blue

圖3分別為添加0.02mol/L Na2SO4和添加0.02 mol/L NaCl的亞甲基藍模擬廢水的脫色率隨時間變化的曲線.電解2 h，添加NaCl體系的脫色率為99.2%，添加Na2SO4體系的脫色率為28.9%.邊朝政等[10]添加NaCl對亞甲基藍電化學脫色過程的影響研究結果表明，添加Na2SO4和NaCl的電解過程和機理不同，添加Na2SO4主要起到提高溶液的導電性，減小溶液電阻損耗，抑制電遷移帶來的影響，而添加NaCl，脫色效果好，主要是Cl-在電解過程中發生了以下電化學過程：

Cl-→Clads+e-

Clads+Cl-→Cl2+e-

Cl2+H2O→HOCL+H++Cl-

HOCl→H++OCl-

OCl-有很強的氧化作用，能夠氧化染料分子，取得較好的脫色效果，以NaCl作為外加電解質對亞甲基藍的脫色率比Na2SO4大得多就是原因所在.由圖3可知，采用電解處理亞甲基藍廢水，分別以NaCl和Na2SO4為電解質，電解1 h添加NaCl的脫色率比添加Na2SO4的高出56.5%，電解2 h高出70.3%.

因此，選擇NaCl為適宜的外加電解質.

2.3 氯化鈉濃度對亞甲基藍脫色率的影響

亞甲基藍初始質量濃度100 mg/L，鈦釕電極做陽極，鋼板做陰極，外加電壓為7 V，極板間距2 cm，電解時間2 h， 在室溫、pH值不變的情況下，考察不同氯化鈉濃度對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖4所示.

圖4 氯化鈉濃度對亞甲基藍脫色率的影響Fig.4 Effect of concentration of NaCl on the removal rate of methylene blue

由圖4可以看出，隨著NaCl濃度升高，亞甲基藍的脫色率上升.NaCl濃度從0.01 mol/L增加到0.02 mol/L，2 h脫色率由67.7%達到了99.2%，增加了31.5%.NaCl濃度為0.025 mol/L時，1 h脫色率就達到99.6%；NaCl濃度為0.03 mol/L時，0.5 h脫色率就達到96%.這表明，隨NaCl濃度增加，溶液中的Cl-濃度增加，活性氯的量也增多，間接氧化能力增強；同時Cl-濃度增加，它在陽極上的吸附競爭加強，副反應減弱，使脫色率升高[9].電解質濃度亦不宜偏高，因為電解質濃度較高，產生的活性氯足夠多，Cl-在陽極上的吸附也基本達到飽和，電流效率下降，電耗增加，將使電解過程不穩定.因此，選擇NaCl濃度為0.02 mol/L.

2.4 極板間距對亞甲基藍脫色率的影響

亞甲基藍初始質量濃度100 mg/L，鈦釕電極做陽極，鋼板做陰極，外加電壓為7 V，NaCl濃度為0.02 mol/L，電解時間2 h， 在室溫、pH值不變的情況下，考察不同極板間距對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖5所示.

圖5 極板間距對亞甲基藍去除率的影響Fig.5 Effect of space between electrodes on the removal rate of methylene blue

由圖5可以看出，隨極板間距的增大，亞甲基藍的脫色率逐漸下降，這是因為極板間距較小時，濃度差極化的影響較小，超電勢隨之降低，處理效果較好.雖然極板間距越小脫色率越高，但是過小的極板間距會使極板間溶液的流量減小、模擬廢水溫度升高，還會使極板間電場過強，有引起通電瞬間極板間放電的危險，降低電極的使用壽命；極板間距過小也會提高電解裝置的設計要求.綜合考慮安全和經濟因素，選擇中間值2 cm作為適宜極板間距.

2.5 原水濃度對亞甲基藍脫色率的影響

以鈦釕電極做陽極，鋼板做陰極，外加電壓為7 V，極板間距2 cm，NaCl濃度為0.02 mol/L，電解時間2 h，在室溫、pH值不變的情況下，考察原水濃度對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖6所示.

圖6 原水濃度對亞甲基藍去除率的影響Fig.6 Effect of initial concentrations of dye on the removal rate of methylene blue

由圖6可以看出，隨著模擬廢水初始濃度升高，脫色率降低.電解2 h，亞甲基藍模擬廢水質量濃度分別為100、200、300、400、500 mg/L的脫色率分別為99.2%、98.4%、77.8%、66.2%、43.6%.同樣電解2 h，100 mg/L、200 mg/L的脫色率僅相差0.8%， 且去除率均大于98%，因此處理初始質量濃度為200 mg/L廢水肯定更經濟.

2.6 電解時間對亞甲基藍脫色率的影響

模擬廢水初始質量濃度為200 mg/L，鈦釕電極做陽極，鋼板做陰極，外加電壓為7 V，極板間距2 cm，NaCl濃度為0.02 mol/L ，在室溫、pH值不變的情況下，考察不同電解時間對亞甲基藍脫色率的影響，結果如圖7所示.

圖7 不同電解時間對亞甲基藍脫色率的影響Fig.7 Effect of electrolysis time on the removal rate of methylene blue

由圖7可知，亞甲基藍的脫色率隨電解時間的延長而增加，電解2 h亞甲基藍的脫色率達到98.4%，電解3 h亞甲基藍的脫色率達到99.1%，相比2 h只增加0.7%.亞甲基藍的降解速率隨電解時間的延長而降低，這是因為反應起始階段，高濃度的亞甲基藍能較快地擴散到電極表面并發生反應；但是隨電解時間的延長，反應物和中間體在電極表面的吸附使電流效率降低，并且大部分亞甲基藍結構已被破壞，單位時間內擴散到電極表面的亞甲基藍減少，使亞甲基藍濃度變化趨于平緩.因此從反應時間對脫色率的影響和試驗的經濟性考慮，選擇2h是最適宜的電解時間.

3 結 語

通過以鈦釕電極為陽極、鋼板為陰極，對亞甲基藍模擬廢水進行電化學處理，試驗結果表明，外加電壓、電解質種類及濃度、極板間距、電解時間都是影響亞甲基藍脫色的主要因素，原水濃度對脫色率有一定的影響；試驗確定了電化學處理亞甲基藍的最適宜條件，外加電壓7 V， 氯化鈉濃度0.02 mol/L，極板間距2 cm，原水質量濃度200 mg/L，電解時間2 h，在不改變室溫及原水pH值的條件下，電化學處理亞甲基藍的脫色率可達98.4%.

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