電觸媒系統(tǒng)降解印染反滲透濃水的研究

雷斌，俞海橋，黃德昌，王俊川、

（1.廈門市威士邦科技有限公司，福建 廈門 361101；2.廈門綠邦膜技術(shù)有限公司，福建 廈門 361101）

電觸媒系統(tǒng)降解印染反滲透濃水的研究

雷斌1，俞海橋1，黃德昌2，王俊川1、2

（1.廈門市威士邦科技有限公司，福建 廈門 361101；2.廈門綠邦膜技術(shù)有限公司，福建 廈門 361101）

研究一種基于電觸媒系統(tǒng)處理印染反滲透（RO）濃水的新方法。結(jié)果表明：采用負(fù)載型金屬氧化物作為催化劑，通過(guò)提高次氯酸鹽的氧化能力，可有效降解印染RO濃水，COD去除率受電極材料、催化劑、電解反應(yīng)時(shí)間、初始pH值和NaCl含量等影響較大。在次氯酸鹽與催化劑的協(xié)同作用下，印染RO濃水的色度和COD值明顯降低。在以石墨板為兩極，初始pH為8～10、NaCl含量為2g/L的條件下，電解60min，1L印染RO濃水的COD值可降到100mg/L以下。

電觸媒;反滲透（RO）;濃水;降解

反滲透（RO）濃縮液是水處理中的一個(gè)難題，其具有成分復(fù)雜、濃度高等特點(diǎn)[1]，不能直接排放，也不適合進(jìn)行循環(huán)處理。國(guó)內(nèi)用于RO濃水處理的方式主要有回流法、回用作生產(chǎn)用水、資源化利用和蒸餾濃縮等[2]。

電催化氧化法是有效處理污水中有機(jī)污染物的方法之一，該法利用具有催化活性的陽(yáng)極氧化去除水中污染物[3]，具有易操作、適用性廣、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在難生物降解的有機(jī)廢水治理領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[4-8]。目前關(guān)于采用電催化氧化法處理印染RO濃水的報(bào)道尚少[9]。

本文主要采用電極結(jié)合自制的負(fù)載型金屬催化劑組成電觸媒系統(tǒng)，用其對(duì)印染RO濃水進(jìn)行脫色降解處理，實(shí)驗(yàn)了電極材料、催化劑類型、電解反應(yīng)時(shí)間、初始pH值和氯化鈉質(zhì)量對(duì)COD去除率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

儀器：磁力攪拌器，穩(wěn)壓直流電源，不銹鋼板電極，石墨板電極，水浴鍋，電爐。

材料與試劑：陰陽(yáng)極采用不銹鋼板或石墨板，所用催化劑為自制負(fù)載型金屬催化劑，所有化學(xué)藥劑均為分析純級(jí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)選取泉州某印染企業(yè)RO濃水作為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)滴加NaOH溶液或H2SO4溶液來(lái)調(diào)節(jié)印染RO濃水的pH值；通過(guò)加入NaCl調(diào)節(jié)印染RO濃水的氯離子濃度和電導(dǎo)率，研究印染RO濃水在不同條件下的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。在實(shí)驗(yàn)中溶液的配制均采用去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用的電極反應(yīng)裝置為簡(jiǎn)易電解槽，包括陽(yáng)極、陰極電極板、直流電源、攪拌器等。

1.4 測(cè)定分析方法

采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）中的重鉻酸鉀法對(duì)水樣進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極材料的影響

電極電催化法去除水中有機(jī)物的必要條件是電極，電解時(shí)采用的電極材料直接影響電極反應(yīng)的速率和COD去除的效率。實(shí)驗(yàn)條件：外加電壓為5V，電解的印染RO濃水的體積為1000mL，初始COD為373～442mg/L，NaCl投加量為5g/L，pH為7.8，采用不銹鋼板或石墨板作為電極材料，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 電極材料對(duì)COD去除率的影響

從圖1中可以看出，電極材料對(duì)電解印染RO濃水具有很大的影響，用石墨板作為為陽(yáng)極時(shí)，COD去除率明顯要高；而且，當(dāng)用不銹鋼板作為陽(yáng)極或陰極時(shí)，在電解過(guò)程中，溶液逐漸變?yōu)樽攸S色，影響溶液色度的去除，這是因?yàn)椴讳P鋼板中的鐵在電解過(guò)程中不斷地析出。因此，在電催化處理印染RO濃水時(shí)要選擇石墨板作為電極材料。

2.2 催化劑類型的影響

對(duì)印染RO濃水進(jìn)行電解，初始COD為276～335mg/L，電解時(shí)間為120min，其他反應(yīng)條件保持不變，加入不同類型的負(fù)載型金屬催化劑進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，相比于單純用石墨板進(jìn)行電解，絕大多數(shù)負(fù)載型金屬催化劑均有利于印染RO濃水COD的去除，其中以Fe-Mn、Fe-Co和Mn-Co-Ni這三種負(fù)載型金屬催化劑效果最佳，經(jīng)降解，印染RO濃水的COD值均可達(dá)到100mg/L以下，COD去除率都可達(dá)到70%；考慮到催化劑制備工藝的問(wèn)題，在電催化處理印染RO濃水時(shí)選用Fe-Mn和Fe-Co這兩種負(fù)載型金屬催化劑。

圖2 催化劑類型的影響

2.3 電解反應(yīng)時(shí)間的影響

取兩份1L泉州印染RO濃水，初始COD為196.7mg/L，分別加入1gFe-Mn和Fe-Co負(fù)載型金屬催化劑，其他反應(yīng)條件保持不變，考察在電催化反應(yīng)過(guò)程中，電解時(shí)間對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電解時(shí)間的影響

從圖3中可以看出，隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，COD去除率呈上升趨勢(shì)。因?yàn)樵陔娪|媒系統(tǒng)中處理的時(shí)間越長(zhǎng)，電極表面反應(yīng)的物質(zhì)就越多，同時(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生的氧化性物質(zhì)NaClO和·OH自由基的量隨電解時(shí)間的增長(zhǎng)而增多，從而使被氧化分解的有機(jī)物的量逐漸增加，進(jìn)而降低了RO濃水中的COD濃度。從圖3中還可以看出，電觸媒系統(tǒng)對(duì)RO濃水的電解作用主要發(fā)生在前60min，COD去除率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增加，60min以后變化逐漸趨于平緩。推測(cè)原因是，隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，部分有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化的一些中間體捕獲了大部分·OH自由基，使得·OH自由基的有效氧化效率難以提高，所以有機(jī)污染物的去除率趨于穩(wěn)定，因此最佳的電解反應(yīng)時(shí)間為60min。

2.4 初始pH值的影響

配制不同初始pH值的印染RO濃水，初始COD為204mg/L，電解反應(yīng)60min，其他反應(yīng)條件保持不變，考察pH值對(duì)COD去除率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 初始pH值的影響

從圖4中可以看出，pH值對(duì)電觸媒系統(tǒng)電解處理印染RO濃水有明顯影響。印染RO濃水的COD去除率隨pH的增大先降低后升高，pH為4、6、10時(shí)，COD去除率均可達(dá)到70%左右。這是因?yàn)椋谒嵝詶l件下，NaClO有較高的氧化還原電位，但同時(shí)，NaClO的分解也隨著pH值的減小而加快，使得部分NaClO在脫色降解印染RO濃水之前就被還原為氯氣，容易造成二次污染，因此pH不能過(guò)低；而在堿性條件下，NaClO穩(wěn)定性會(huì)隨著pH的增大而增加，使得NaClO的利用率升高。考慮到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中溶液對(duì)電極和設(shè)備的腐蝕問(wèn)題，溶液的pH值不宜過(guò)高或過(guò)低，控制在8～10為妥。

2.5 NaCl含量的影響

NaCl是電觸媒系統(tǒng)中最重要的物質(zhì)之一，在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同NaCl含量的電觸媒系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，其中均加入1g的Fe-Mn催化劑，電解時(shí)間為60min，其他反應(yīng)條件保持不變，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，NaCl投加量對(duì)印染RO濃水的脫色降解有很大的影響。隨著NaCl的增加，COD去除率先增加后緩慢減小，當(dāng)NaCl投加量為2g時(shí)，COD去除率達(dá)到最大，為72.17%。推測(cè)原因是：在電觸媒系統(tǒng)中，NaCl作為電解質(zhì)，從原則上說(shuō)，電導(dǎo)率隨著電解質(zhì)投加量的增多而增加，從而增加了反應(yīng)電流，加快了反應(yīng)速率。但如果NaCl投加量過(guò)大時(shí)，會(huì)阻礙NaClO的生成，使得COD去除率不升反降。

圖5 NaCl投加量的影響

3 結(jié)論

電極材料、催化劑類型、電解反應(yīng)時(shí)間、初始pH值和NaCl投加量對(duì)印染RO濃水中COD去除率均有影響，當(dāng)以石墨板作為兩極，結(jié)合Fe-Mn或Fe-Co負(fù)載型金屬催化劑，組合成的電觸媒系統(tǒng)，在pH為8～10，外加NaCl為2g的條件下可以對(duì)印染RO濃水反復(fù)進(jìn)行電催化處理，1L印染RO濃水的COD基本可以降至100mg/L以下，去除率可達(dá)到70%以上，處理完后的水可以直接排放，也可以進(jìn)行循環(huán)處理。

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Study on Printing and Dyeing RO Concentrated Water Degraded by Electrical Accelerant System

LEI Bin, YU Hai-qiao, HUANG De-chang, WANG Jun-chuan

X703

A

1006-5377（2014）01-0028-03

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（11C26213514937）；廈門市科技計(jì)劃（3502A20111077）。