三維電極法處理模擬制藥廢水研究

陳 武，許 暢，梅 平

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

三維電極法處理模擬制藥廢水研究

陳 武，許 暢，梅 平

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

利用三維電極處理模擬鹽酸利多卡因和苯甲酸鈉制藥廢水，單因素研究表明，主電極間距、電解時間、電解電壓及處理廢水量等因素都對三維電極處理模擬制藥廢水效率有顯著影響；通過正交試驗分別得到了三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、苯甲酸鈉廢水的最佳條件，在各自的最佳條件下，對利多卡因廢水的降解率為62.55%、CODCr去除率為63.5%，對苯甲酸鈉廢水的降解率為59.40%、CODCr去除率為61.9%，且不同降解時間2種廢水的紫外光譜發生了顯著變化；動力學研究表明，三維電極降解利多卡因反應動力學表現為二級反應，降解苯甲酸鈉的反應動力學表現為三級反應； 2種廢水按不同比例混合后，在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，混合廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉降解率分別提高到70.75%和61.65%，在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，處理效果均比單一廢水時降解率降低。

三維電極；制藥廢水；鹽酸利多卡因；苯甲酸鈉

隨著醫藥工業的發展，制藥廢水已成為亟待解決的問題之一[1]。制藥工業廢水主要包括抗生素生產廢水、合成藥物生產廢水、中成藥生產廢水以及各類制劑生產過程的洗滌水和沖洗廢水4大類[2]。制藥廢水具有組成復雜、有機污染物種類多、濃度高、毒性大、色度深和含鹽量高等特點，體現在COD(化學需氧量)、BOD(生化需氧量)、SS(固體懸浮物)和TN(總氮量)高，且廢水中的菌絲體、代謝產物等物質能夠抑制好氧菌的生物活性，使其難以生物降解[2]。未經處理或處理未達到排放標準而直接進入環境，將嚴重污染環境。因此如何處理該類廢水是當今環境保護的一個難題[3]。

電化學處理藥物廢水法是近年來逐漸熱門的處理技術，它一般無需很多化學藥品，后處理簡單，占地面積小，管理方便，污泥量很少[4-5]。然而傳統的平板二維電極面體比較小，單位槽體處理量小，電流效率低。針對這些缺陷， Bickhurst J R提出了三維電極的概念[6]，三維電極與傳統的二維電極相比[7]，三維電極具有傳質系數和電流效率高、電極比表面積大、無需加入大量導電電解質、氧化降解能力強、能耗低、易于操作和控制、綠色環保等優點[8]，從而使其在處理有機廢水中的研究和應用具有極為重要的現實意義。下面，筆者對三維電極法處理模擬制藥廢水進行研究。

1 試驗部分

1.1 藥品與儀器

1)藥品 鹽酸利多卡因、重鉻酸鉀、濃硫酸、硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨、鄰菲羅啉、硫酸銀、硫酸汞(均為分析純)。

2)儀器 電子天平、日本島津UV-2450紫外可見分光光度計、高頻直流穩壓電源、主電極材料、粒子電極、自制電化學反應裝置及其他實驗室用玻璃儀器等。

1.2 試驗方法

1)模擬制藥廢水 用自來水分別配制2000mg/L的鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉模擬廢水為研究對象，其初始COD分別為750.0、636.0mg/L。

式中，C表示溶液中鹽酸利多卡因和苯甲酸鈉的含量;R為相關系數。

試驗過程中取一定量模擬廢水用三維電極處理，取不同條件下處理后水樣，測定殘余的利多卡因、苯甲酸鈉，計算出其降解率和CODCr去除率，并以此為依據評價三維電極的水處理效率。

2 結果與討論

2.1 影響三維電極電解效率的單因素研究

以不銹鋼做主電極，活性碳為粒子電極的三維電極電化學反應器處理鹽酸利多卡因模擬廢水，分別研究了電解電壓、電解時間、處理廢水量、主電極間距對三維電極去除鹽酸利多卡因的影響。結果表明，主電極間距為4cm的時候，去除率最高為60.73%；電解電壓對去除率的影響呈先促進后抑制的關系，在電壓為40V時，去除率最高為63%；廢水量對去除率的影響呈先促進后抑制的關系，廢水量為440ml時，去除率最高為55.72%；在30～120min內，去除率隨著時間的增加而增加。

表1 鹽酸利多卡因電解條件L9(34)正交試驗結果

表2 苯甲酸鈉電解條件L9(34)正交試驗結果

2.2 三維電極處理模擬廢水最佳條件的確定

為了得到三維電極去除廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的最佳條件，根據對影響三維電極電解鹽酸利多卡因廢水效率的單因素研究結果，確定以A(主電極間距,cm)、B(電解電壓,V)、C(廢水量,ml)、D(電解時間,min)為影響因素，設計了L9(34)正交表進行正交試驗，結果分別如表1、表2所示。由表1可知，三維電極法降解鹽酸利多卡因最佳條件為A1B2C2D2，即板間距2cm，電解電壓40V，廢水量440ml，電解時間90min；影響最大的因素是主電極間距，其次是電解時間；在此條件下，鹽酸利多卡因的去除率為62.55%，廢水COD由初始的750.0mg/L降低到274.0mg/L，COD去除率為63.5%。由表2可知，三維電極法降解苯甲酸鈉最佳條件為A2B3C1D3，即板間距4cm，電解電壓45V，廢水量440ml，電解時間75min，影響最大的因素是主電極間距，其次是電解電壓；在此條件下，苯甲酸鈉去除率為66.07%，COD由初始的636.0mg/L降低到394.0mg/L，COD去除率為61.9%。表明三維電極去除廢水中污物的最佳條件與污物的種類與結構有關。

2.3 模擬制藥廢水電解前后的光譜分析

為了弄清模擬廢水中污染物濃度和變化與污染物質紫外吸收強度之間的關系，分別用三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水的最佳條件下電解處理2種模擬廢水，取原水及電解不同時間(0～210min)的樣品分別測其光譜，結果分別如圖1、圖2所示。圖1、圖2表明，模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水隨著電解時間的增加，廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的紫外吸收強度都下降，與前面試驗的結果——隨電解時間增加，三維電極對廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的去除率增加是一致的，符合紫外吸收規律。

圖1 不同處理時間模擬鹽酸利多卡因廢水紫外光譜 圖2 不同處理時間模擬苯甲酸鈉廢水光譜

2.4 三維電極處理2種模擬廢水動力學研究

為了解三維電極去除模擬廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的速率及其規律，分別在上述得到的三維電極處理2種模擬制藥廢水的最佳條件下處理2種廢水，取不同處理時間(t)的樣品，分別測定處理后水中剩余的鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉濃度，并假設三維電極降解利多卡因、苯甲酸鈉的反應分別為零級、一級、二級和三級反應, 將測得的剩余濃度數據處理后與處理時間擬合得到其動力學方程, 結果如表3所示。由表3可知，三維電極降解利多卡因反應動力學表現為二級反應；三維電極降解苯甲酸鈉的反應動力學表現為三級反應。表明三維電極降解同一濃度的不同污染物規律不同。說明三維電極降解污染物的動力學不僅與污染物的初始濃度有關[8]，而且與有機物種類有關。

表3 三維電極降解鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉動力學分析方程

2.5 三維電極處理2種模擬混合廢水研究

為了研究三維電極處理混合制藥廢水的效率，分別在三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水的最佳條件下，利用三維電極處理按不同比例混合的模擬混合制藥廢水，結果如表4所示。由表4可以看出，在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，2種模擬制藥廢水按1∶1混合時，鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉去除率分別可達到70.75%和61.65%，均比兩者單獨在各自的最佳條件下處理時的去除率高，說明在此條件下兩者混合有利于污染組分的去除。但在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，2種模擬制藥廢水按3種比例混合時，鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉去除率均比兩者單獨在各自的最佳條件下處理時去除率低。因此，在三維電極用于實際污水處理時，還必須參照實驗室結果探索最佳處理條件。

表4 2種最佳條件下處理不同比例混合廢水效果

3 結 論

1)主電極間距、接觸面積、電解時間以及電解電壓等因素都對三維電極去除模擬制藥廢水效率有顯著影響。

2)三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水的最佳降解條件為：電極板間距2cm，電解電壓40V，廢水量440ml，電解時間90min，此時降解率為62.55%、CODCr去除率為63.5%；三維電極處理模擬苯甲酸鈉廢水的最佳降解條件為：電極板間距4cm，電解電壓45V，廢水量440ml，電解時間75min，此時降解率為59.40%、CODCr去除率為61.9%；不同降解時間廢水的紫外光譜發生顯著變化。

3)三維電極降解利多卡因反應動力學表現為二級反應；三維電極降解苯甲酸鈉的反應動力學表現為三級反應。

4)在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，按不同比例混合的廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉降解率分別提高到70.75%和61.65%；在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，不同比例混合廢水，處理效果均比單一廢水時降解率降低。在三維電極用于實際污水處理時，還必須參照實驗室結果探索最佳處理條件。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.006

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A

1673-1409(2012)10-N015-04