電化學氧化法處理模擬茜素紅染料廢水的研究

李慧婷

摘要：采用電化學氧化法，以Ti/PbO2-F電極為陽極，Ti為陰極，對模擬茜素紅染料廢水進行了電化學降解研究。討論了電流密度、溫度、隔膜以及電解質種類對茜素紅降解脫色的影響。結果表明：20 ℃、電流密度為50 mA/cm2、Cl-濃度為2 g/L、無隔膜條件下，COD和色度的去除率達82%和81%。

關鍵詞：電化學氧化法;Ti/PbO2電極;茜素紅;降解

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A

近年來，隨著國家對環保問題的日益重視，大部分印染企業嚴格遵守廢水的排放標準，但仍有部分企業由于污水處理設備成本高、處理效果不達標等原因存在偷排現象，造成了嚴重的環境污染，因此印染廢水的處理也受到人們的極大關注。茜素紅是廣泛應用在紡織工業中的一種人工合成蒽醌染料， 具有水溶性和高穩定[1]， 排放到河流中會影響到人類健康和水生生物的生存。這類染料有毒難降解物質多、可生化性差，增加了這類廢水的處理難度，因此尋找一種新的更加有效的廢水處理技術很有必要[2]。電化學氧化過程一般通過多步過程產生羥基自由基（.OH），這些自由基有很強的氧化性，可以把有機物氧化成可降解的小分子或CO2和H2O，破壞發色體系，使染料脫色。本研究采用電化學氧化法，以蒽醌染料代表茜素紅為研究對象，研究了電流密度、隔膜、溫度、氯離子濃度對茜素紅模擬染料廢水降解效果的影響，探討PbO2-F電極電催化氧化處理茜素紅模擬染料廢水的規律。

1 實驗

1.1主要儀器和試劑

實驗主要儀器有571-1型COD消解裝置、571型化學需氧量分析儀、Maya 2000 Pro紫外吸收儀、8511B型恒電流（壓）儀、Parstat 2273電化學工作站。實驗主要試劑有蒸餾水、茜素紅、濃硫酸、重鉻酸鉀、氯化鈉、硝酸銀、硫酸鈉，常用試劑均為分析純。

1.2實驗方法

以2×2cm2的Ti/PbO2-F電極為陽極，3×3cm2的Ti為陰極，用去離子水配置茜素紅溶液，以0.2M的硫酸鈉為支持電解質，控制電極間距為1.0cm，磁力攪拌，用恒電位儀恒電流電解，每隔一定時間取樣，測定COD（化學耗氧量），染料的脫色率，電壓等重要參數。降解裝置如圖1所示。

1.3分析方法及計算公式

（1）脫色率

其中X：染料的脫色率;A0：染料初始的吸光度;A：染料取樣時的吸光度。

（2）COD

采用重鉻酸鉀法（GBll914-1989）

（3）平均電流效率（Average current efficiency ACE）

其中COD0：初始時刻的COD（g/L）;CODt（g/L）：t時刻COD;F：96，487 C/mol;I：電流密度;t：處理時間（s）;V：處理體積（L）。

2 結果與討論

2.1電流密度對降解效果的影響

圖2表示的是電流密度對降解效果的影響。從圖中可以看出，在高電流密度下，COD和色度的去除率增加。這是由于電極表面發生H2O→（OH·）+H+，隨電流密度的增加形成的（OH·）速率增加。但增大到60mA/cm2時，色度和COD的去除率卻降低，這是由于析氧副反應加強。ACE在50mA/cm2時最高，60mA/cm2最低，這種變化也是由于析氧副反應的發生。50mA/cm2電流密度下降解效果最佳。

2.2溫度對染料降解效果的影響

圖3溫度對COD去除率及色度的影響如圖所示。從圖可以看出，溫度升高降解效果減弱。一般情況溫度升高，電化學氧化的速率會增加，但是溫度升高同時會導致析氧副反應增加，發生如下反應：H2O-2e→2H++1/2O2。因此，升高溫度同時加速電化學氧化有機污染物也會加速析氧副反應，哪個反應占主導地位取決于有機污染物的性質和反應時的溫度。同時，升高溫度，ACE降低，說明溫度升高，副反應加劇，電流效率降低。

2.3隔膜對降解效果的影響

在30mA/cm2電流密度下，對100mg/L的模擬染料在有隔膜的電解槽內進行恒電流降解，調節pH為3，陰陽極別為100mL。

加隔膜后陽極色度比不加隔膜的低，陰極的COD和色度基本沒變。反應結束后陽極的pH降為1.58，陰極的pH升高為12.86，在陰極發生2H++2e→H2，陽極發生析H2O-2e→2H++1/2O2。茜素紅的降解分為兩步，首先茜素紅在陽極開環氧化為小分子有機物，其次小分子有機物在降解為CO2和H2O等無機物。吸光度是在260nm處測得的，260nm處是蒽環的特征吸收峰，加入隔膜后陽極區吸光度要比不加隔膜的低，吸光度明顯減弱，說明蒽環打開。但加隔膜后陽極區COD去除率比無隔膜的COD去除率低，說明陰極的協同作用有助于中間產物和小分子有機物的降解。

2.4 Cl-對染料降解效果的影響

Cl-對COD去除率及色度的影響如圖所示。從圖可以看出，加入Cl-后COD和色度的去除率明顯提高。此時的反應是具有氧化作用的含氯物質（Cl-、Cl2、OCl-等）與羥基自由基（OH.）共同與有機污染物發生反應使其氧化。而當Na2SO4為電解質時，使染料廢水脫色的是OH.的直接氧化作用的結果，因此降解速率比加入氯化鈉的低。隨著NaCl濃度的升高，染料的脫色率和COD的去除率也上升，但上升的幅度不大，主要是因為氯化鈉濃度增加，電化學氧化過程中生成的活性氯的量也增多，間接電化學氧化的能力加強。但是氯離子濃度較高時，產生的活性氯基本達到飽和，繼續增加氯化鈉的濃度對脫色率的影響不大。

2.5 茜素紅處理過程中的紫外-可見吸收分析

譜圖中260nm處是蒽環的特征吸收峰，430nm處是羰基的吸收峰，在不加氯化鈉的情況下，隨著時間的推移，260nm、430nm處的特征吸收峰同時下降，說明染料的蒽環結構和羰基結構在氧化過程中受到破壞。

加入氯化鈉后，430nm處的特征吸收峰迅速將為0，說明羰基迅速被破壞，反應過程中可以觀察到染料的顏色迅速變為無色，發色基團主要是羰基及其與苯環形成的超共扼結構，加入氯化鈉后羰基的吸收峰迅速降為0，這說明染料廢水的脫色主要是NaCl發生電化學反應的作用。

3 結論

采用電化學氧化法以PbO2-F電極為陽極，Ti電極為陰極，室溫條件下電解，能夠降解茜素紅模擬染料廢水。經過條件實驗的研究，找到了各因素分別對色度、COD去除率和電流效率的影響趨勢。隔膜對電解效果的影響不大，電流密度對去除率影響很大，整個反應過程受傳質過程控制。氯離子加入后COD和色度的去除率明顯提高。溫度對電解效果起副作用。20℃、電流密度為50mA/cm2、Cl-濃度為2g/L、無隔膜條件下，COD和色度的去除率達82%和81%。

參考文獻：

[1]Yunus R F，Zheng Y M，Nanayakara K G N，etal.Electrochemical removal of rhodamine 6G by using RuO2 coated Ti DSA[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2009， 48：7466-7473.

[2]Vandevivere PC，Bianchi R，Verstraete W.Treatment and reuse of wastewater from textile wet-processing industry：review of emerging techologies[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 1998， 72：289-302

[3]POLCARO A.M， VACCA A， PALMAS S， et al. Electrochemical treatment of waste water containing pHenolic compounds： oxidation at boron-doped diamond electrodes[J]. Appl. Electrochem， 2003， 33：885–892.

基金項目：內蒙古民族大學科學研究基金資助項目（項目編號：NMDYB15078）