有/無隔膜體系電化學法降解甲基橙對比試驗

金 秋， 戴美月， 鄭雪婷， 劉世桐

(1.沈陽建筑大學 市政與環境工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.沈陽市生態環境局和平分局， 遼寧 沈陽 110000 )

印染廢水成分復雜，色度高且生化性很差，必須經過有效處理才可排入自然水體，否則會對水體環境造成嚴重威脅[1-3]。電化學技術具有操作簡單、處理過程清潔等特點，在污水處理領域受到了越來越多的關注[4]。鈦基DSA電極具有優良的電催化活性，氧化物涂層壽命長且耐腐蝕。常常將DSA作為陽極材料，利用電解生成的強氧化性自由基有效降解有機污染物[5-6]。然而陰極還原反應產生的電解產物與陽極不同，并不能生成足夠的具有強氧化性的自由基，因此降解效率低于陽極[7]。筆者以甲基橙為目標污染物，在自制的電化學反應器中設置滌綸729隔膜裝置，選用鈦基釕銥涂層電極作為陽極、鈦板作為陰極，研究對比了電化學陰極還原和陽極氧化共同作用下的降解效果。

1 試驗部分

試驗采用自制的電化學反應器，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Sketch of test device

在自制的電化學反應器中進行試驗，選取RuO2-IrO2/Ti陽極為極板，催化活性耐電接觸摩擦，陰極為鈦板，反應器中間固定滌綸729隔膜。將模擬甲基橙廢水投入反應器中，然后加入一定量電解質和酸堿試劑。對甲基橙廢水每10 min進行間隔陰、陽極室分別取樣，試驗共進行60 min。采用4-氨基安替比林直接光度法測定甲基橙。

2 結果與討論

2.1 對甲基橙的去除效果

2.1.1甲基橙脫色率

從表1和圖2可以看出，反應60 min時隔膜體系對甲基橙的平均去除率達到94.91%，而無隔膜體系為75.21%。隔膜體系對甲基橙的脫色率大于無隔膜體系，說明隔膜體系對甲基橙的破壞能力更強，優勢明顯。

表1 隔膜體系對甲基橙廢水的脫色率Tab.1 Decolorization rate of methyl orange by the diaphragm system %

圖2 有/無隔膜體系對甲基橙的脫色率Fig.2 Decolorization of methyl orange by system with or without diaphragm

2.1.2COD去除率

隨著電解時間的延長，COD去除率逐漸升高。電解60 min后，隔膜體系內COD平均去除率為73.08%，優于無隔膜體系的60.00%，見表2和圖3。

表2 隔膜體系對COD的去除率Tab.2 Removal rate of methyl orange by the diaphragm system %

圖3 有/無隔膜體系的COD去除率Fig.3 Removal rate of COD by system with or without diaphragm

2.2 電化學能耗分析

2.2.1無隔膜體系的能耗方程

無隔膜體系內在不同電壓下的電流值和陰、陽極室內染料的脫色率見表3。

無隔膜體系中，擬合數據得到電壓與電流以及脫色率之間的關系曲線[8-9]分別為：I=0.033U+0.02，R2=0.997 3；E=0.916U+53.874，R2= 0.990 1。

通過換算得到：

表3 無隔膜體系中不同電壓所對應的電流值和脫色率Tab.3 The current and decolorization rate under different voltages in system without diaphragm %

U=1.080 9E-58.174

(1)

I=0.035 7E-1.899 7

(2)

反應體系消耗電能的計算公式為：

W=UIt

(3)

將式(1)、式(2)代入能耗公式，得到無隔膜電化學體系能耗與脫色率的關系式：

W=(0.038 6E2-4.13E+110.51)t

(4)

2.2.2隔膜體系的能耗方程

隔膜體系內，不同電壓下的電流和陰、陽極室內染料的脫色率見表4。

表4 隔膜體系中不同電壓所對應的電流和脫色率Tab.4 The current and decolorization rate under different voltages in the diaphragm system

采用相同的方法，擬合得到隔膜體系中陰極室內電壓和電流、脫色率的關系分別為：I=0.053U+0.01，R2=0.993 0；E=2.251 5U+50.403，R2=0.999 9。最終得到陰極室內能耗與脫色率的關系式為：

W1=(0.011E2-1.07E+26.64)t

(5)

陽極室內電壓和脫色率的關系如下：E=2.587 5U+65.929，R2=0.995 3。能耗與脫色率的關系式為：

W2=(0.008E2-1.01E+33.63)t

(6)

2.2.3電化學法能耗對比

建立有/無隔膜體系電化學法的數學能耗模型，從能耗的角度對比兩者的差異。兩個體系的反應時間相同，可以假設反應時間t為常數[10-11]。無隔膜體系的能耗公式可簡化為：W=0.038E2-4.13E+110.51；隔膜體系的陰極能耗公式可簡化為：陰極，W1=0.011E2-1.07E+26.64；陽極，W2=0.008E2-1.01E+33.63。

以染料的脫色率為自變量，所對應的W/W1、W2和W1/W、W2/W值如表5和圖4所示。

表5 有/無隔膜體系脫色率與能耗的關系Tab.5 The relationship between the rate of decolorization and energy consumption of system with or without diaphragm

圖4 有/無隔膜體系的能耗對比Fig.4 Comparison of energy consumption between system with or without diaphragm

由圖4可以看出，隔膜體系和無隔膜體系的能耗都呈現隨脫色率的增大先降低后升高的規律，無隔膜體系在脫色率為50%時的能耗最低，隔膜體系在脫色率為60%時的陰、陽極能耗均最低。只有在脫色率為50%和60%時，無隔膜體系的能耗低于隔膜體系能耗，但差別不大。在脫色率為90%時，W1/W為0.38，W2/W為0.16，說明隔膜體系具有明顯的節能優勢，更適用于對染料廢水的處理，且陽極的能耗低于比陰極。

3 結論

① 在相同條件下，隔膜體系電化學氧化法對甲基橙的的有更好的降解效果，平均脫色率為94.91%，COD平均去除率為73.08%。無隔膜體系對甲基橙的脫色率為75.21%，COD去除率為60%。

② 隔膜體系電化學氧化法的能耗低于無隔膜電化學氧化法，在脫色率為90%時，隔膜體系中陰極室的能耗僅為無隔膜體系的38%，陽極室的能耗僅為無隔膜體系的16%。說明采用隔膜體系電化學氧化法降解染料廢水的效果較好，能耗較低，適宜實際應用。