電催化氧化降解含酚工業廢水實驗研究

羅勝鐵，沈 麗

（唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山063000）

含酚廢水主要來自焦化廠、煤氣廠、石油化工廠等工業部門，以及石油裂解制乙烯、合成苯酚、聚酰胺纖維、有機農藥和酚醛樹脂等生產過程。酚類化合物是我國優先監測的持久性有機物，已經被列入具有致癌性單環芳烴之列。

目前，含酚廢水的處理技術有生物法、物理法和化學法。含酚廢水處理技術的選擇取決于含酚廢水中的酚濃度、COD值及其他因素如處理費用等［1－3］。電化學法是近年來發展起來的一種高效的水處理新方法。其特點是在同一水處理設施中可能同時完成電凝聚、電氣浮、電吸附、電催化氧化和還原等多種凈化過程，具有效率高、用地省、產生污泥少、便于控制等優點，因此引起了廣大水處理工作者的關注［4－7］，此方法為污水資源化提供了一條新思路。本實驗擬通過電催化氧化技術對含酚工業廢水進行處理，考察廢水中COD的去除效果。

1 電極材料與實驗方法

1．1 廢水水質

實驗用含酚廢水取自唐山市某焦化廠，廢水COD約為1 400 mg／L。

1．2 電極的選擇和制備方法

電極在電化學處理技術中處于“心臟”的地位，電極的電催化特性是電催化技術的核心內容，提高電極的特性即希望電極對目標有機物表現出高的反應速率，并且有好的選擇性。電極材料的性質是決定電極催化特性的關鍵因素，不同的電極材料會使反應速度發生數量級的變化。改變電極材料的性質，可以通過變換電極基體材料來實現，也可以用有電催化性能的涂層對電極表面進行修飾改性來實現［8－9］。

本實驗選用PbO2電極為陽極，自制C／PTFE氧還原電極為陰極，研究其對含酚廢水的處理性能。

C／PTFE氧還原陰極的制備方法如下：將一定質量的石墨粉和聚四氟乙烯乳液（PTFE）用無水乙醇混合，超聲攪拌20 min，使石墨和PTFE分散均勻，然后在恒溫水浴（60～80℃）中不斷攪拌，直至混合成凝聚膏體，將凝膏體輥壓制成厚約0．2 mm的碳膜，再將壓好的兩片碳膜附著在不銹鋼網上，用液壓機將碳膜和不銹鋼網復合好，將復合好的電極用蒸餾水煮沸0．5 h，然后在90℃干燥2 h備用。

1．3 電解體系隔膜的選擇

多數電化學反應器都使用隔膜來分隔陽極和陰極區間，防止兩極產物混合，以及在電極表面或溶液中發生副反應或次級反應，避免影響產物純度、收率和電流效率，甚至造成危及安全的事故。本實驗選用隔膜電解體系是基于如下兩點考慮：

（1）根據陰、陽極氧化機理，陰、陽極分隔開后，陽極呈強酸性，陰極呈強堿性，從而使溶液中離子總數增多，導電能力增強，減少了電解質的投加量，同時創造有利于有機物降解的反應條件。

（2）應用隔膜分開陰、陽極后，可以通過分析陰、陽極反應液探討其反應機理。

本實驗綜合考慮了常用的幾類隔膜如石棉隔膜、陶瓷隔膜、離子交換膜、滌綸、棉布等的特點，最終采用價廉的滌綸濾膜作為電解體系的隔膜。

1．4 實驗方法

實驗采用陰、陽極同時作用降解含酚工業廢水，測定COD的去除率。COD檢測方法采用重鉻酸鉀法。

1．5 實驗裝置

實驗裝置見圖1所示。自制有機玻璃電解槽（60 mm×45 mm×80 mm），有效容積為130 mL，陰陽極室體積比為1∶1。采用PbO2電極為陽極，自制的C／PTFE氧還原電極為陰極，極間距為0．5 cm，陽極和陰極的有效面積均為34 cm2，在電解槽內放置滌綸濾膜。

圖1 電解實驗裝置示意圖

2 結果與討論

2．1 最佳反應時間的確定

在電流密度30 m A／cm2下，在陰、陽極室曝氣量為1．8 L／min條件下，考察含酚廢水COD去除率隨反應時間的變化情況，如圖2所示。

由圖2可知，含酚廢水經陰、陽極電催化氧化作用降解程度較大，COD去除率隨電解時間的延長逐漸升高，陰極室在80 min時COD去除率達到80%以上。在80 min以后，COD去除率變化趨于平緩。因此確定最佳反應時間為80 min。

2．2 曝氣量影響

在電流密度30 m A／cm2，反應時間80 min條件下，考察曝氣量對含酚廢水COD去除率的影響。如圖3所示。

圖2 反應時間對含酚廢水COD去除率的影響

圖3 曝氣量對含酚廢水COD去除率的影響

由圖3可知，含酚廢水在曝氣量為1．2 L／min的條件下，COD去除率達到最大。同時陰極室中COD去除率效果明顯高于陽極室。分析其原因是由于陰極室在堿性條件下H2O2能進一步產生HO·和O2·自由基，它們對有機物氧化能力要高于陽極室直接和間接的氧化能力。

2．3 電流密度影響

在曝氣量為1．2 L／min，反應時間為80 min條件下，考察電流密度大小對含酚廢水COD去除率的影響，結果見圖4。

圖4 電流密度對含酚廢水COD去除率的影響

由圖4可看出，陰、陽極室COD去除率隨電流密度的升高而增加，且隨著電流密度增加，COD去除率變化趨于平緩。電流密度升高，意味著電子傳遞速度增加，從而提高了電極反應速率，所以COD去除率得到提高；而電流密度過大將降低電流效率，電流密度過小又影響自由基的生成速率和COD的降解速率，所以實驗中合適的電流密度為30 mA／cm2。

3 結論

（1）在滌綸隔膜電解體系中，陰、陽極室同時電催化氧化降解含酚工業廢水取得了較好的效果。COD去除率隨電流密度增加而升高，在反應時間80 min，曝氣量1．2 L／min，電流密度30 m A／cm2的最佳條件下，含酚廢水COD去除率可達到80%，COD去除率陰極室較好于陽極室。

（2）利用氧陰極還原生成強氧化劑H2O2，可以氧化降解廢水中的有機污染物，不需要另外加入其他氧化劑，不產生二次污染。

（3）通過電催化反應器設計、陰極材料的研制與優選，可以實現利用電催化活性的PbO2陽極的氧化作用和氧陰極還原產生的氧化劑的強氧化性共同降解廢水中的有機污染物，從而提高降解有機污染物的電流效率，降低能耗。

［1］ 劉江永．工業含酚廢水處理的研究進展［J］．河南化工，

（2）利用氧陰極還原生成強氧化劑H2O2，可以氧化降解廢水中的有機污染物，不需要另外加入其他氧化劑，不產生二次污染。

（3）通過電催化反應器設計、陰極材料的研制與優選，可以實現利用電催化活性的PbO2陽極的氧化作用和氧陰極還原產生的氧化劑的強氧化性共同降解廢水中的有機污染物，從而提高降解有機污染物的電流效率，降低能耗。

參考文獻：

［1］ 劉江永．工業含酚廢水處理的研究進展［J］．河南化工，2010，27（2）：25－31．

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