有機污染物在電化學反應器中電化學降解過程研究

王沖

(吉林東北煤炭工業環保研究有限公司吉林長春 130062)

有機污染物在電化學反應器中電化學降解過程研究

王沖

(吉林東北煤炭工業環保研究有限公司吉林長春 130062)

本文研究環氧丙烷皂化廢水在濾壓式電化學反應器中的電催化氧化降解過程。提高電流密度能提高降解速率，但增加了能耗，綜合考慮最佳的電流密度是10mA/cm2。

電催化氧化；環氧丙烷；工業廢水；濾壓式電化學反應器

隨著電催化氧化技術在污水凈化[1]、垃圾滲濾液[2]、制革廢水[3]、印染廢水[4]、煉油廢水[5,6]等領域的應用研究，使人們對電化學技術處理廢水的期待更加迫切。本文根據環氧丙烷皂化廢水的氯離子濃度高，導電性強特點提出了間接電氧化法降解廢水中的有機物污染物的思路，研究環氧丙烷皂化廢水在濾壓式電化學反應器中的電催化氧化降解過程，并討論相關因素對有機污染物降解過程的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

循環電解實驗在濾壓式電化學反應器中進行。陽極為網狀DSA型電極，陰極為Ti網，每塊電極面積為3×3cm2，兩極間距可調。待處理廢水為250cm3，電解系統進行恒電流電解，可調節電流密度。柱狀顆粒活性炭作為填充粒子，填充于兩極板之間。

1.2 實驗步驟

1.2.1 環氧丙烷皂化廢水的預處理

向環氧丙烷廢水中加入純堿（Na2CO3）溶液和二氧化碳轉化為碳酸鈣（CaCO3），并調節pH至中性，反應方程式如下：

1.2.2 電化學氧化法處理環氧丙烷皂化廢水

整個電催化氧化裝置由直流電源、濾壓式電化學反應器及附件組成。實驗在室溫下進行，貯槽中加入待處理的0.25L的廢水，電解液通過磁力泵進入反應器，轉子流量計調節流速，待反應器中的流動穩定后，設定電流至所需值后接通電源，開始計時，每隔一段時間取樣測定有機物含量和COD。

1.3 COD的測定方法

采用重鉻酸鉀法測定(GB11914-1989)。在測定水樣時，由于環氧丙烷皂化廢水的含鹽量和氯離子濃度較高，進行COD測定時，需要將水樣稀釋。通過多次平行試驗發現，當氯離子濃度超過1000mgL/時，存在的誤差比較大，因此將水樣氯離子稀釋到1000mg/L以下，再用硫酸汞做掩蔽劑。

1.4 主要計算公式

1.4.1 COD去除率

上式中：COD0——處理前廢水的COD值(mg·L-1)；CODt——電解時間為t時廢水的COD值(mg·L-1)；ΔCOD%——COD去除率。

1.4.2 能耗

上式中：W 為能耗（J）；U 為電壓（V）；I為電流（A）；t為電解時間（s）。

2 結果與討論

2.1 電解時間對去除COD效果的影響

取0.25L經預處理的廢水，電極間距=15mm，電流密度30mAcm-2，流量4L/h，陽極采用網狀Ru-Ti-Sn電極，陰極為Ti網，每塊電極面積為3×3cm2，溫度為室溫，考察電催化氧化法對廢水中COD的去除效果，見圖1。在反應過程中，反應器內產生大量的氯氣。電解氧化法去除COD是一個復雜的電化學反應過程，不僅存在電極表面上的直接電氧化，而且存在以Cl-/Cl2或Cl-/ClO-為媒介的間接電氧化過程。廢水中氯離子的濃度為10.968g/L，電解過程中會產生Cl2、ClO-，它們是強氧化劑，有助于降低水中的COD濃度。從圖1可以明顯看出，前1hCOD迅速下降，但1h后，COD又升高，說明生成了中間產物使廢水的COD升高，在2h后COD又開始迅速降低，在7h后COD全部去除，同時也可以說明電催化氧化法可以有效降低廢水中的COD。

圖1 COD去除率隨時間的變化

2.2 電流密度的影響

實驗初步考察了電流密度對COD和去除效果的影響，實驗結果見圖2。在反應的初始階段COD的降解速率是30mA/cm2>50mA/cm2>10mA/cm2，電流密度對廢水電化學降解影響主要有兩方面：增大電流密度一方面可使電極的工作表面得到充分利用，電生成活性氧化中間體的濃度增大，有利于電化學氧化進程；另一方面，高電流密度下，電極極化現象和鈍化加劇，并且、析氧副反應也不斷加強，降低了電解效率和處理效果。但50mA/cm2時，COD完全降解所需的時間是最少，這是因為電化學反應的速率由電流密度的大小決定。電流密度的提高，意味著單位時間內轉移的電子多，總的反應速度也相應提高。但電流密度增大會導致槽電壓升高、使能耗上升。表1是列出不同電流密度下降解效果，從能耗角度考慮不宜選擇過大電流密度，最優的電流密度是10mA/cm2。

圖2 不同電流密度下COD去除率隨時間的變化

表1 不同電流密度條件下的能耗

3 結論

（1）使用DSA型陽極、Ti陰極和濾壓式電化學反應器構成的電解處理體系處理實際環氧丙烷皂化廢水，循環電解實驗的結果表明，利用電催化氧化技術處理環氧丙烷皂化廢水，降解廢水中的有機污染物是可行的。（2）闡述了電化學處理廢水的過程中電流密度對有機物降解過程的影響，增加電流密度能提高降解速率，但同時也增加了能耗，綜合考慮最佳的電流密度是10mA/cm2。

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