BDD薄膜電極電催化氧化降解DDNP生產(chǎn)廢水動力學(xué)研究

李春娥

摘 要：本文以BDD薄膜電極為陽極，銅片為陰極，運用電化學(xué)氧化技術(shù)來處理DDNP生產(chǎn)中所產(chǎn)生的廢水，主要對CODcr去除率的各種實驗因素的影響進行了相應(yīng)的動力分析，并且建立相關(guān)的動力方程式。根據(jù)實驗結(jié)果可知：BD薄膜電極電催化氧化DDNP生產(chǎn)中的廢水反應(yīng)是符合一級反應(yīng)動力學(xué)的研究規(guī)律，而反應(yīng)速率的常數(shù)通常受生產(chǎn)廢水的初始濃度、電解質(zhì)、槽電壓等相關(guān)因素的影響。

關(guān)鍵詞：BDD薄膜電極 反應(yīng)速率常數(shù) 槽電壓 初始濃度

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0146-02

電催化氧化技術(shù)廣泛應(yīng)用于印染廢水、造紙廢水、制革廢水等許多難降解有機廢水處理中，廢水中的的色度、氨氮、CODcr去除率都比較高，近年來電催化氧化法受到人們廣泛關(guān)注，被人們稱為降解難降解有機廢水的“環(huán)境友好技術(shù)”[1，2]。近年來，BDD薄膜電極作為一種新型電極材料，一直是環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。該電極材料抗腐蝕性強、硬度高透光性好，高熱傳導(dǎo)性，耐熱性好、抗輻射性強。DDNP是國內(nèi)產(chǎn)量最大，應(yīng)用最為廣泛的起爆藥。DDNP生產(chǎn)廢水成暗紅色，色度和CODcr值都相當高，難于降解，并且毒性強，具有致畸影響，國內(nèi)經(jīng)濟有效的的DDNP生產(chǎn)廢水處理技術(shù)還不成熟[3～4]。本文以BDD薄膜電極為陽極，銅片為陰極，通過使用電化學(xué)催化氧化技術(shù)處理DDNP生產(chǎn)廢水，對影響CODcr去除率的因素進行動力學(xué)分析，建立相關(guān)動力學(xué)方程。

1 實驗部分

實驗用水取自某化工廠，水樣呈暗紅色，pH值為12.4，水樣原始CODcr值為10000 mg/L，色度高，含有二硝基重氮酚、硫化物、酚類等許多難降解有毒物質(zhì)。本實驗使用循環(huán)泵，取樣時間間隔為30 min，采用重鉻酸鉀法測定每個時間段的水樣CODcr值。通過計算CODcr去除率來反映BDD薄膜電極的電解效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 BDD薄膜電極電催化氧化機理

BDD薄膜電極電催化氧化DDNP生產(chǎn)廢水時，認為可以做下面兩點假設(shè)。

（1）電催化氧化反應(yīng)主要取決于BDD薄膜電極表面產(chǎn)生的羥基自由基OH。

（2）在反應(yīng)進行中不會發(fā)生羥基自由基OH的累積效應(yīng)。

當使用BDD薄膜電極作陽極時主要的氧化性物種·OH通過如下過程產(chǎn)生：；

總反應(yīng)速率方程可表示為：

；

由于在一定的電化學(xué)體系中羥基自由基達到了穩(wěn)態(tài)濃度，可以認為[·OH]濃度為一常數(shù)。假定；所以。

2.2 電化學(xué)反應(yīng)條件與反應(yīng)速率的關(guān)系

2.2.1 槽電壓對反應(yīng)速率的影響

根據(jù)電催化反應(yīng)相關(guān)動力學(xué)原理，在6 V、9 V和12 V三種槽電壓下，通過對不同反應(yīng)時間的ln（COD0/CODt）與t作線性擬合，得出ln（COD0/CODt）與t在實驗范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，顯然符合一級動力學(xué)關(guān)系，相關(guān)一級反應(yīng)動力學(xué)方程及參數(shù)見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，反應(yīng)速率常數(shù)受槽電壓影響很大。為研究槽電壓與反應(yīng)速率常數(shù)k之間的關(guān)系，設(shè)k=k1×vn，式中n為槽電壓對反應(yīng)速率常數(shù)影響的方次數(shù)。兩邊同時取對數(shù)可將上式變成lnk=lnk1+nlnv。通過線性擬合，得出lnk=1.3832lnv-9.3783，R2=0.9988，n≈1.4，即反應(yīng)速率常數(shù)與槽電壓的1.4次方呈線性關(guān)系。

2.3 初始濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，反應(yīng)速率常數(shù)受初始濃度影響較大。為研究槽電壓與反應(yīng)速率常數(shù)k之間的關(guān)系，設(shè)k=k2×cn，式中n為初始濃度對反應(yīng)速率常數(shù)影響的方次數(shù)。兩邊同時取對數(shù)可將上式變成lnk=lnk3+nlnc。通過線性擬合，得到lnk=-0.236lnc-4.5494，R2=0.9716，n≈-0.24，即反應(yīng)速率常數(shù)與初始濃度的-0.24次方呈線性關(guān)系。

2.4 溶液導(dǎo)電性能對反應(yīng)速率的影響

從表3中得知，在不同電解質(zhì)NaCl投加量下，電催化氧化反應(yīng)的動力學(xué)常數(shù)分別為：0.0018 min-1（NaCl為1 g/L）、0.0017 min-1（NaCl為0.5 g/L）、0.0014 min-1（NaCl為2 g/L），當NaCl投加量為1g/L時DDNP生產(chǎn)廢水CODcr降解效果最好；電催化氧化反應(yīng)降解過程符合準一級動力學(xué)規(guī)律，反應(yīng)速率常數(shù)受溶液導(dǎo)電性影響較小。

3 結(jié)論

DDNP生產(chǎn)廢水成分復(fù)雜，由于本次實驗反應(yīng)條件有限，無法確定BDD薄膜電極電催化氧化降解DDNP生產(chǎn)廢水的反應(yīng)產(chǎn)物，進而無法建立基元反應(yīng)模型。因此，各反應(yīng)因素對CODcr去除率的影響通過冪函數(shù)的動力學(xué)方程來反映，結(jié)論如下：

BDD薄膜電極電催化氧化處理DDNP生產(chǎn)廢水的反應(yīng)過程符合一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。槽電壓和廢水初始濃度對反應(yīng)速率常數(shù)影響較大，溶液導(dǎo)電性對反應(yīng)速率常數(shù)影響較小。反應(yīng)速率常數(shù)分別與槽電壓的1.4次方、廢水初始濃度的-0.24次方成線性關(guān)系。

總動力學(xué)方程表示為：

其中：v為槽電壓；c0為溶液初始濃度。

參考文獻

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[2] 矯彩山，孫艷，門雪燕，等.電催化氧化技術(shù)處理難生化有機廢水的研究現(xiàn)狀及進展[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2007，32（1）：107-110.

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