BDD電極電化學(xué)氧化處理印染廢水

彭 敏，彭 羽

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)備工程系，四川德陽 618000；2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610000）

印染廢水污染物成分復(fù)雜、濃度高、難降解等，如果未經(jīng)有效處理就排放，會嚴(yán)重污染土壤和水環(huán)境，影響人體健康。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)及國家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，傳統(tǒng)的印染廢水處理工藝難以滿足要求，需要進(jìn)行深度處理［1-2］。高級氧化法利用光、電、氧化劑等產(chǎn)生活性強(qiáng)的自由基（如·OH），將大分子有機(jī)污染物分解為小分子甚至H2O、CO2等無機(jī)物處理有機(jī)廢水，氧化能力強(qiáng)、處理效率高、無副產(chǎn)物。高級氧化法包括電化學(xué)氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、Fenton氧化法等［3-6］。電化學(xué)氧化法利用電化學(xué)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化·OH無差別降解有機(jī)污染物，設(shè)備簡單、易于規(guī)模化控制、無添加物二次污染，廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢水的處理［7］。硼摻雜金剛石膜（BDD）電極易產(chǎn)生羥基自由基、電化學(xué)勢窗大、導(dǎo)電性能良好、背景電流低，對多種有機(jī)污染物均表現(xiàn)出良好的去除效果，受到廣泛關(guān)注［8-9］。

本實(shí)驗(yàn)以實(shí)際印染廢水為研究對象、COD去除率為考察指標(biāo)，探究不同因素對BDD電極電化學(xué)氧化技術(shù)處理印染廢水效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：NaOH、H2SO4、K2Cr2O7（分析純），印染廢水（江蘇某染料廠，初始pH 1，COD 5 100 mg/L，電導(dǎo)率1.24×102μS/cm）。

儀器：BDD電極（瑞士NeoCoat公司），釕銥電極、不銹鋼電極（上海仙仁儀器儀表有限公司），N5772A型直流電源（安捷倫科技有限公司），PHS-3CW型pH計(jì)（上海般特儀器制造有限公司），DR6000型分光光度計(jì)（美國HACH公司）。

1.2 電化學(xué)氧化降解印染廢水

以BDD電極為陽極，不銹鋼電極為陰極，電極間距30 mm，浸沒面積5 cm2，以直流電源連接兩電極提供電能。將200 mL印染廢水加入燒杯，放入磁力攪拌子后置于磁力攪拌器上，調(diào)整轉(zhuǎn)速使溶液勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 測試

COD去除率：參照重鉻酸鉀法，采用快速消解法用分光光度計(jì)測定COD，COD去除率=（1-CODt/COD0）×100%，其中，COD0為印染廢水的初始COD，CODt為t時(shí)刻印染廢水的COD。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解時(shí)間

印染廢水中含有大量難溶于水的有機(jī)污染物，電化學(xué)氧化過程中需要加入電解質(zhì)以提高印染廢水的導(dǎo)電性并降低反應(yīng)過程中的能耗，選擇Na2SO4作為電解質(zhì)。為降低反應(yīng)能耗，縮短反應(yīng)時(shí)間，控制電化學(xué)氧化時(shí)間尤為重要。由圖1可看出，在前20 min，COD去除率快速增加，隨后增速放緩，90 min時(shí)COD去除率趨于平穩(wěn)，進(jìn)一步延長反應(yīng)時(shí)間，COD去除率并無明顯變化，因此設(shè)置反應(yīng)時(shí)間為90 min。

圖1 電化學(xué)氧化時(shí)間對印染廢水COD去除率的影響

2.2 初始pH

由圖2可以看出，初始pH為1時(shí)，電化學(xué)氧化對印染廢水的COD去除率最高；隨著pH增大，COD去除率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在pH為7時(shí)，COD去除率最低，90 min時(shí)COD去除率僅為51.3%。不同pH條件下，COD去除率從高到低依次為強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性、中性。這是由于酸性條件下BDD電極的氧化電位更高，可電化學(xué)氧化生成SO4?-；在堿性條件下，印染廢水中的有機(jī)污染物以離子形式存在，有利于進(jìn)一步降解［10］。由于印染廢水的初始pH為1，后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再對pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 初始pH對印染廢水COD去除率的影響

2.3 電極材料

由圖3可知，90 min時(shí)，BDD電極、釕銥電極電化學(xué)氧化的COD去除率分別為89.7%、51.4%，BDD電極的COD去除率明顯高于釕銥電極。這是由于BDD電極為惰性電極，表面生成的·OH可直接氧化印染廢水中的有機(jī)污染物，此外，·OH能夠與溶液反應(yīng)生成H2O2和O3等氧化劑，進(jìn)一步提升對印染廢水的降解能力。而釕銥電極電化學(xué)氧化產(chǎn)生的部分·OH與電極發(fā)生反應(yīng)，減弱對印染廢水的降解能力［11］。

圖3 電極材料對印染廢水COD去除率的影響

2.4 稀釋倍數(shù)

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，COD去除率都呈上升趨勢，在前20 min時(shí)上升明顯，隨后上升趨勢變緩并最終趨于平衡。稀釋1倍、2倍和4倍的COD去除率相差不大，考慮去離子水的消耗和總體處理效率，稀釋倍數(shù)選擇1。

圖4 稀釋倍數(shù)對印染廢水COD去除率的影響

2.5 電解質(zhì)濃度

由圖5可知，COD去除率均在前20 min快速上升，隨后上升趨勢逐漸變緩。隨著Na2SO4濃度增加，COD去除率逐漸增大，0.4 mol/L時(shí)達(dá)到最大，這是由于Na2SO4濃度較低時(shí)，隨著濃度的增加，·OH數(shù)量增加，有利于印染廢水COD的去除；進(jìn)一步增加Na2SO4濃度后趨于飽和。另外，部分·OH與SO42-反應(yīng)生成氧化能力較差的S2O82-，降低對印染廢水的降解能力［9］。

圖5 電解質(zhì)濃度對印染廢水COD去除率的影響

2.6 電流密度

由圖6可以看出，隨著處理時(shí)間的延長，COD去除率總體呈上升趨勢，前20 min快速增加，降解效果明顯，之后緩慢增加。20 mA/cm2時(shí)COD去除率最低，20 min時(shí)僅40.5%，90 min時(shí)也只有55.3%，這可能是由于電流密度較低時(shí)，·OH生成量較少，對印染廢水的降解效果較差。隨著電流密度的增加，COD去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，50 mA/cm2時(shí)COD去除率最高，20 min時(shí)為64.3%，90 min時(shí)達(dá)到89.7%。繼續(xù)增加電流密度，COD去除率逐漸降低，這是由于電流密度過大，·OH被消耗，生成H2O2和O2，參與降解有機(jī)污染物的·OH量反而減少，降解印染廢水的能力降低。

圖6 電流密度對印染廢水COD去除率的影響

3 結(jié)論

BDD電極比釕銥電極有更好的處理效果。在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境下，電化學(xué)氧化處理印染廢水效果更好。適宜的電解質(zhì)濃度、稀釋倍數(shù)和電流密度有利于提高電化學(xué)氧化處理印染廢水的能力。在不調(diào)節(jié)pH、稀釋1倍、電解質(zhì)濃度0.4 mol/L、電流密度50 mA/cm2情況下，90 min時(shí)COD去除率達(dá)到89.7%。