探究影響電化學(xué)方法降解酸性艷綠染料廢水效果的因素

方良充

（廣東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用協(xié)會，廣州 510095）

隨著染料與印染工業(yè)的發(fā)展，其生產(chǎn)廢水已成為當(dāng)前最主要的水體污染源之一。由于這類廢水成分復(fù)雜，往往含多種有機(jī)染料及其中間體，色度深，毒性強(qiáng)，難降解，pH值波動(dòng)大，組分變化大，濃度高，水量大。我國是染料生產(chǎn)大國，染料產(chǎn)量占世界的60%左右。然而，在染料生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1 t染料，將有2%的產(chǎn)品隨廢水流失，而在印染過程中損失更大，為所用染料的10%左右[1]。這不僅造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，也給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。一般染料廢水的COD高，而BOD/COD（可生化性指標(biāo)）值較小，可生化性差、色度高、酸堿性強(qiáng)、含鹽量高、組分復(fù)雜、毒性強(qiáng)。近年來，染料朝著抗光解、抗熱及抗生物氧化方向發(fā)展，使其處理難度加大。目前，染料廢水處理主要方法有物理化學(xué)法、電化學(xué)法和生化法等。本文僅介紹電化學(xué)法。

1 電化學(xué)法概述

電化學(xué)氧化分為直接氧化和間接氧化兩種。直接氧化是指被氧化物和電極基本直接進(jìn)行電子傳遞的氧化方法，可以將有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒物質(zhì)，分為兩類進(jìn)行：一是電化學(xué)轉(zhuǎn)化，把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒物質(zhì)，或把非生物相容的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物相容的物質(zhì)；二是電化學(xué)燃燒，可直接將有機(jī)物深度氧化為CO2和H2O。間接氧化則是利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化劑氧化被氧化物的方法，即氧化劑是被氧化物質(zhì)與電極交換電子的中介體。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)體系中含有Cl-時(shí)，它可以產(chǎn)生新生態(tài)的氯或進(jìn)一步形成次氯酸根，從而使水中的有機(jī)物發(fā)生強(qiáng)烈的氧化降解。

在直接或間接氧化過程中，一般都伴有析出H2或O2的副反應(yīng)，但通過電極材料的選擇和電勢控制可使副反應(yīng)得到抑制。本試驗(yàn)處理酸性艷綠染料廢水的反應(yīng)過程如下。

在陽極上析出氯氣和氧氣，反應(yīng)如式（1）、式（2）所示。

在水中發(fā)生下列反應(yīng)，如式（3）、式（4）所示。

反應(yīng)生成的ClO-又可在陽極氧化生成氯酸和氧氣，如式（5）所示。

陽極反應(yīng)產(chǎn)生的HClO3又與廢水中有機(jī)物發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)，最終生成CO2和H2O。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)主要試劑與儀器（見表1、表2）

表1 試驗(yàn)試劑

表2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

2.2 試驗(yàn)方法與步驟

表3 化學(xué)試劑的稱取

不同化學(xué)試劑的稱取量如表3所示。0.1 g/L染料濃度溶液的配制方法為：用電子天平準(zhǔn)確稱取所需質(zhì)量的酸性艷綠染料0.1 g，溶于1 000 mL的燒杯中，用量筒準(zhǔn)確量取1 000 mL水并加入燒杯中，一邊攪拌一邊加水，均勻溶解后待用。

圖1 酸性艷綠染料廢水電化學(xué)降解裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，將500 mL酸性艷綠染料廢水加入到容積為500 mL的電解槽內(nèi)，采用無隔膜式電解槽，陽極采用了鈦棒，陰極采用鈦網(wǎng)，極間距50 mm，磁力攪拌。在一定的電流密度下開始電解，在不同的電解時(shí)間取樣，測定樣品的色度、pH值。

2.3 分析方法

根據(jù)《水質(zhì) 色度的測定》（GB11903-89），測定方法選用稀釋倍數(shù)法。脫色率（%）=（電解前色度-電解后色度）÷電解前色度×100%。廢水的pH的測定方法為用精密實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測定并記錄。

2.4 酸性艷綠染料廢水的水質(zhì)狀況（見表4）

表4 酸性艷綠染料廢水的水質(zhì)狀況

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算以及分析

2.5.1 時(shí)間對酸性艷綠染料廢水脫色的影響

反應(yīng)是在電流密度為2.5 A/dm2，陽極采用了鈦棒，陰極采用鈦網(wǎng)，取酸性艷綠染料廢水500 mL，電極之間的距離為50 mm，并加入10 g的NaCl作為20.0 g/L電解質(zhì)，進(jìn)行廢水電化學(xué)氧化降解的試驗(yàn)，電解時(shí)間為25 min，每隔5 min取一次樣，用稀釋倍數(shù)法測得染料廢水的色度。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，染料廢水的脫色率隨電解時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

表5 電解時(shí)間對酸性艷綠染料廢水脫色的影響

圖2 電解時(shí)間對酸性艷綠染料廢水脫色率的影響

由圖2可知，電解的初期階段，酸性艷綠染料廢水的脫色率隨著電解時(shí)間的增加明顯變大，10 min后廢水脫色率達(dá)到70%，其間，電解反應(yīng)速率比較快，這是因?yàn)樗嵝云G綠染料廢水在初始時(shí)，體系中酸性艷綠染料的濃度高，能夠很快地?cái)U(kuò)散到電極表面發(fā)生反應(yīng)。在10～25 min中，鈦網(wǎng)、鈦棒的表面逐漸生成一層氧化膜，反應(yīng)接觸的面積減少，所以這段時(shí)間反應(yīng)速率慢慢下降，雖然體系中酸性艷綠染料的濃度降低，但是脫色率還是呈現(xiàn)上升的趨勢。氯化鈉濃度為20.0 g/L時(shí)，反應(yīng)的第一階段在0～10 min時(shí)，其間染料廢水的色度由原來的856倍降為256倍，廢水的脫色率達(dá)到70%，色度明顯下降；電化學(xué)降解時(shí)間在10～25 min時(shí)，廢水的色度由256倍降到128倍，其相應(yīng)的脫色率從70%升到85%，在這個(gè)階段，脫色率變化明顯變慢。

2.5.2 電解時(shí)間對酸性艷綠染料廢水pH的影響

當(dāng)電流密度為2.5 A/dm2時(shí)，陽極采用鈦棒，陰極采用鈦網(wǎng)，極間距為50 mm，取500 mL酸性艷綠染料廢水進(jìn)行電解，并加入10 g的NaCl作為20.0 g/L電解質(zhì)，反應(yīng)電解的時(shí)間分別是0 min、5 min、10 min、15 min、25 min，在不同的時(shí)間點(diǎn)去除25 mL的廢水測試其pH，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，廢水的pH隨電解時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

表6 電解時(shí)間對酸性艷綠染料廢水pH的影響

圖3 電解時(shí)間對酸性艷綠染料廢水pH的影響

由圖3可知，染料廢水的起始pH為6.71，終點(diǎn)pH為7.48。反應(yīng)在NaCl質(zhì)量濃度為20.0 g/L的作用下，隨著時(shí)間的推移，進(jìn)行的反應(yīng)pH也隨之發(fā)生變化。在電解時(shí)間0～20 min的范圍內(nèi)，廢水的pH變化比較平穩(wěn)，此時(shí)的pH逐漸升高，略顯弱酸性，趨近于中性；在電解時(shí)間為20 min左右時(shí)，廢水的pH最接近中性；在20～25 min的范圍內(nèi)，染料廢水的pH變大，顯弱堿性，此時(shí)的pH變化相對較大。綜合能耗與電解后pH等因素來考慮，處理500 mL酸性艷綠染料廢水的最佳電解時(shí)間為20 min。

2.5.3 電解質(zhì)種類對酸性艷綠染料廢水脫色的影響

分別用兩個(gè)500 mL的燒杯取500 mL的酸性艷綠染料廢水于燒杯內(nèi)，其濃度為0.1 g/L，極間距為50 mm，電流密度為2.5A/dm2，電解質(zhì)分別為NaCl、Na2SO4，其濃度均為20.0 g/L，在電解反應(yīng)25 min后分別取樣測試其色度。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 電解質(zhì)種類對酸性艷綠染料廢水脫色的影響

從表7可知，當(dāng)電化學(xué)氧化降解酸性艷綠染料廢水的電解質(zhì)分別為NaCl和Na2SO4，它們的濃度都為20 g/L，其他條件相同時(shí)，它們的脫色率相差不大，前者比后者的脫色效果好。電解質(zhì)為NaCl時(shí)，電解酸性艷綠染料廢水，反應(yīng)在25 min后，廢水色度從原來的856降到128，廢水的脫色率達(dá)到85%；而電解質(zhì)為Na2SO4時(shí)，酸性艷綠染料廢水在反應(yīng)25 min后，其色度從原來的1 024降到160，而脫色率為84%。造成這樣結(jié)果的原因在于酸性艷綠染料的分子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，氯離子或其他離子對其電解效果影響不大。

但是從節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展、降低廢水處理成本等角度來看，NaCl電解質(zhì)比Na2SO4電解質(zhì)好，其來源更廣，價(jià)格更低，故選擇NaCl作為電化學(xué)氧化降解酸性艷綠染料廢水的電解質(zhì)比較合適。

3 結(jié)論

通過開展電化學(xué)氧化降解酸性艷綠染料廢水的試驗(yàn)，筆者整理并分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

以NaCl為電解質(zhì)、極間距為50 mm、電流密度為2.5 A/dm2，染料廢水初始濃度為0.1 g/L的反應(yīng)條件下，電化學(xué)氧化降解反應(yīng)隨著電解時(shí)間增加而進(jìn)行，染料廢水的色度逐漸降低，從856降到128，脫色率增大，在反應(yīng)進(jìn)行20 min時(shí)，其脫色率達(dá)到85%，其中，電解反應(yīng)在0～20 min時(shí)，其脫色率與電解時(shí)間成正比，但在20 min以后，脫色率基本不變。故電解反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間是20 min左右。

從pH的數(shù)據(jù)變化可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，pH逐漸增加，從6.71增加到7.48，其中在20 min時(shí)，廢水溶液基本趨于中性。故電解反應(yīng)的最佳反應(yīng)pH應(yīng)該為7.0左右，此時(shí)電解時(shí)間為20 min。

用相同濃度的NaCl和Na2SO4作為電解質(zhì)，筆者對比了不同電解質(zhì)對酸性艷綠染料廢水脫色的影響。結(jié)果表明，在對比試驗(yàn)中，酸性艷綠染料廢水的脫色效果相差無幾，但NaCl作為電解質(zhì)的效果比Na2SO4好，從處理成本和來源等方面綜合分析，NaCl是電化學(xué)氧化降解酸性艷綠染料廢水試驗(yàn)的最好電解質(zhì)。

1 胥維昌.染料行業(yè)廢水處理現(xiàn)狀和展望[J].染料工業(yè)，2002，39（6）：35-39.