玻璃碳陰極電芬頓降解孔雀石綠研究

鄭曦，陳雄建，施毅君，劉葉芳，陳日耀，陳孖瑜，陳曉，金延超

(1.福建師范大學 環境科學與工程學院，福建 福州 350007；2.福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室，福建 福州 350007)

隨著印染行業和紡織工業的發展以及人們對染料的需求量增加，染料廢水量并以每年2%的速率持續增加[1-2]。染料色度高，降低了水體的光透明率[3]，對水體帶來很大的危害，不利于水中微生物、動植物的生長，降低了水體的自凈能力[4-5]。此外， 染料廢水也對人類具有致癌、致畸、致突變的危害[6-7]。電芬頓法可原位產生H2O2，不需要外加,避免了H2O2的運輸風險以及存儲風險[8-9]。電極材料對電芬頓體系產H202有較大的影響。玻璃碳電極具有較大的比表面積、導電性能好、化學性質穩定[10]。

本文采用電芬頓法降解孔雀石綠染料廢水[11]。使用陽極為惰性Ti/RuO2電極，陰極為玻璃碳電極。玻璃碳的良好性能在一定條件下能增大H2O2的產率，降低了生產成本。因此，玻璃碳電芬頓法降解孔雀石綠的研究具有較好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

玻璃碳電極；Ti/RuO2電極；硫酸、無水硫酸鈉、草酸鈦鉀、七水合硫酸亞鐵、孔雀石綠、硫代硫酸鈉等均為分析純。

雷磁pHS-3E pH計；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；LZB-3WB 玻璃轉子流量計；QJ3005H高精度直流穩壓電源；Spectrumlab S22PC 可見分光光度計；島津TOC-L總有機碳測定儀。

1.2 實驗方法

如圖1所示，以Ti/RuO2電極(3 cm×5 cm)為陽極，玻璃碳(3 cm×5 cm)為陰極，兩極間距為4 cm，氧氣鋼瓶作為氧氣源，用磁力攪拌器攪拌，速度為150 r/min,溫度為25 ℃。

圖1 實驗裝置圖

每次實驗的染料廢水體積為500 mL，染料初始濃度200 mg/L,pH值3，Fe2+濃度5 mg/L,電解質Na2SO4濃度0.1 mol/L,氧氣曝氣量100 mL/min,電流30 mA。實驗開始前鼓氧氣10 min，預處理。電源正極接Ti/RuO2電極，負極接玻璃碳電極。取樣時間間隔為10 min，用分光光度計在λ=617 nm處測定孔雀石綠的吸光度，計算孔雀石綠降解率。

式中,η為t時刻孔雀石綠的降解率，C0為孔雀石綠的初始濃度的吸光度對應的濃度值，Ct為t時刻溶液中孔雀石綠的吸光度對應的濃度值。

1.3 分析方法

孔雀石綠染料廢水的濃度通過檢測孔雀石綠的最大吸收峰(λ=617 nm)確定,見圖2。在不同pH條件下作出孔雀石綠的濃度-吸光度的標準曲線。

每次取2 mL樣品，加蒸餾水稀釋到10 mL。加入1 mL的3 mol/L的H2SO4和1.6 mL濃度0.05 mol/L的草酸鈦鉀溶液，靜置顯色30 min。在最大吸收峰處測定孔雀石綠的濃度。

2 結果與討論

2.1 電解質濃度對孔雀石綠降解的影響

電解質濃度對孔雀石綠的降解的影響見圖2。

由圖2可知，電解質濃度為0.05 mol/L時，初始濃度200 mg/L的孔雀石綠處理60 min降解率為87.66%；電解質濃度為0.1 mol/L條件下，孔雀石綠的降解率高達99.11%。進一步增加電解質濃度，孔雀石綠的降解率并沒有顯著變化。增加電解質濃度可以提高溶液的導電率，提高溶液中的離子活度，從而促進電芬頓過程，進而促進了孔雀石綠的降解。而0.1 mol/L的硫酸鈉已經具有足夠的離子活度，繼續增大電解質濃度對孔雀石綠降解并沒有顯著影響，綜合考慮，最佳的電解質濃度為0.1 mol/L。

圖2 電解質濃度對孔雀石綠降解的影響(氧氣流量：200 mL/min)

2.2 氧氣曝氣量對孔雀石綠降解的影響

氧氣曝氣量對孔雀石綠降解的影響見圖3。

圖3 氧氣曝氣量對孔雀石綠降解的影響

由圖3可知，當氧氣曝氣量為50 mL/min時，孔雀石綠的降解率為96.28%；氧氣曝氣量增大到100 mL/min時，孔雀石綠的降解率為98.47%；氧氣曝氣量繼續增大到200 mL/min，孔雀石綠的降解率為99.11%。由此可知，增大氧氣曝氣量可以提高孔雀石綠的降解率。這是因為氧氣在陰極電還原產生H2O2。持續地向電解槽中通入氧氣，可以增大廢水的溶氧量，進而促進電芬頓過程。此外，氧氣曝氣量為50 mL/min時，孔雀石綠的降解率已高達96.28%，反映出玻璃碳的良好性能。綜合考慮染料廢水降解和經濟因素，本實驗的最佳曝氣量為100 mL/min。

2.3 電流強度對孔雀石綠降解的影響

電流強度對孔雀石綠降解的影響見圖5。

由圖4可知，電流10 mA時，處理60 min，孔雀石綠的降解率為95.29%；電流增大到30 mA，孔雀石綠的降解率98.47%；電流繼續增大到50 mA,孔雀石綠降解率沒有顯著變化。增大電流可以促進產生H2O2，進而加快孔雀石綠的降解。增大電流的同時，也增大了電壓，從而促進了H2O2在陽極分解的副反應，此外，增大電流也加劇了陰極的析氫副反應。因此，當電流從30 mA增加到50 mA，不僅沒有提高孔雀石綠的降解率，反而使其降解率輕微下降。因此，最佳電流強度為30 mA。

圖4 電流強度對孔雀石綠降解的影響

2.4 孔雀石綠初始濃度對降解的影響

廢水初始濃度對孔雀石綠降解的影響見圖5。

圖5 廢水初始濃度對孔雀石綠降解的影響

由圖5可知，不同初始濃度的孔雀石綠處理60 min都取得了良好的降解效果。當初始濃度為200 mg/L時，降解率為98.82%；當初始濃度為400 mg/L 時，降解率為96.46%。雖然孔雀石綠的初始濃度提高了1倍，但是兩者在處理了60 min后降解率相近。這是因為孔雀石綠濃度越高，染料分子數就越多，氧化反應的底物濃度越大。即使低濃度的孔雀石綠也具有很高的色度，因此初始濃度為400 mg/L的孔雀石綠需要更長的處理時間。

2.5 pH對孔雀石綠降解的影響

pH對孔雀石綠降解的影響見圖6。

由圖6可知，pH=4.0時，孔雀石綠的降解效果明顯低于pH=2.0或pH=3.0條件下的降解。當pH=2.0時,處理60 min，孔雀石綠的降解率為97.47%；pH=3.0時，孔雀石綠的降解率為98.82%；pH繼續升高到4.0時，相同的處理時間，孔雀石綠的降解率降低至54.21%。這是因為，在較高的pH條件下，Fe2+、Fe3+會形成沉淀，阻礙了芬頓反應的發生，降低了孔雀石綠的降解效率。因此，H+濃度對電芬頓過程具有重要影響。此外，pH=2.0和pH=3.0條件下,孔雀石綠的降解率相近,綜合考慮,最佳pH條件為pH=3.0。

圖6 pH對孔雀石綠降解的影響

3 結論

使用玻璃碳作為陰極，在pH=3.0,電解質Na2SO4濃度0.1 mol/L,Fe2+濃度10 mg/L,氧氣曝氣量100 mL/min，電流強度為30 mA,孔雀石綠初始濃度為200 mg/L的條件下，進行電芬頓降解孔雀石綠模擬染料廢水，處理60 min孔雀石綠的降解率為99.11%。