三維電極處理TNT廢水影響因素研究

曾 權 鐘欣辰 楊德龍

（江西環境工程職業學院，江西 贛州 341000）

TNT廢水的顏色呈紅色或粉紅色，其中含有的主要污染物是TNT、RDX、HMX 以及TNT 變性的中間產物[1]。由于廢水中所含TNT 等硝基化合物濃度高，衍生物成分復雜，且含有大量油脂，所以處理難度非常大。本實驗分別采用二維電極電解法和三維電極電解法處理TNT廢水，實驗中通過控制電解槽電壓，極板間距，電動攪拌轉速，同時調節初始pH、絕緣粒子與活性炭粒子的質量之比，進而比較該兩種電極電解法對有機物的降解效果，并重點分析研究了在采三維電極反應器處理TNT廢水過程中的主要影響因素。

1 實驗部分

1.1 實驗廢水來源及水質

本實驗的廢水來源于某軍區彈藥修理試驗站，廢水產生于報廢彈藥銷毀過程，其中主要含有炸藥TNT (2,4,6-三硝基甲苯)，還有由于長期儲存而產生的一些衍生物如DNT 等[2-3]，廢水水質見表1。

表1 廢水水質

1.2 實驗裝置

本次實驗裝置均自行設計，裝置主體電解槽為有機玻璃材質,其尺寸為10cm×5cm×8cm，極板尺寸均為10cm×5cm。陽極為不銹鋼片，陰極為石墨板，其中三維電解反應器以活性炭顆粒作為填充粒子，絕緣粒子則是醋酸纖維素顆粒。系統還包括穩壓穩流直流電源、pH 計等附件等。試驗中廢水用量均為200mL，溶液pH的調節則由添加H2S04和NaOH 來控制。裝置具體結構如圖1、圖2 所示。

圖1 二維電解反應器

圖2 三維電解反應器

2 實驗結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 電壓對有機物降解效果的影響

調節直流電源改變槽電壓分別為7V、10V、15V、20V、25V，稱取預處理的活性炭粒子2.5g、絕緣粒子2.5g，用H2SO4和NaOH 調節pH 為3，加入電解質Na2SO4使電流強度為0.40A，攪拌、電解2h 后取樣測定TNT 及COD 濃度。實驗結果如圖3、4、5所示。

圖3 電壓對污染物去除率的影響

圖4 電壓與TNT、COD 去除率的關系曲線

2.1.2 極板間距對有機物降解效果的影響

陰、陽極板間距分別取3cm、4cm、5cm、6cm、8cm的條件下，稱取經預飽和的活性炭粒子2.5g、絕緣粒子2.5g，電壓設置為15V，用H2SO4和NaOH 調節pH 為3，加入電解質Na2SO4使其電流強度為0.40A，攪拌、電解2h。實驗結果如圖6 所示。

圖5 電壓與電流的曲線關系

圖6 極板間距對污染物去除率的影響

2.1.3 電流密度對有機物降解效果的影響

極板間距4cm，電壓15V，調節原水pH=3，絕緣粒子與活性炭顆粒的質量之比為0.3，添加Na2SO4使電流密度分別為5mA/cm2、10mA/cm2、15mA/cm2、20mA/cm2、25mA/cm2，電解時間為2h。實驗結果如圖7 所示。

圖7 電流密度對污染物去除率的影響

2.1.4 攪拌轉速對有機物降解效果的影響

極板間距4cm，電壓15V，調節原水pH=3，絕緣粒子與活性炭顆粒的質量之比為0.3，添加Na2SO4使電流強度為0.40A，調節電動攪拌機，使攪拌轉速分別為0、130 r/min、260 r/min、390 r/min，電解時間為3h。實驗結果如圖8 所示。

圖8 攪拌轉速對污染物去除率的影響

2.2 pH 值對電解效果的影響

陰、陽極板間距取4cm，另外稱取活性炭粒子2.5g、絕緣粒子2.5g，電壓設置為15V，用H2SO4和NaOH 調節原水pH,使pH 分別為3、5、7、9、11，最后添加Na2SO4，調節電流強度為0.40A，同時攪拌、電解3h，實驗結果如圖9 所示。

圖9 pH 對污染物去除率的影響

2.3 絕緣粒子與活性炭粒子的質量之比對電解效果的影響

陰、陽極板間距4cm，電壓設置為15V，pH 調節為3，另外稱取活性炭顆粒2.5g，同時稱取適量的絕緣粒子與活性炭顆粒相混合，混合比例分別為0、0.3、0.5、1、2、3、4，添加Na2SO4電解質，調節電流強度為0.40A，同時攪拌、電解3h，實驗結果如圖10 所示。

圖10 絕緣粒子與導電粒子質量之比對污染物去除率的影響

2.4 不同電解陽極對電解效果的影響

極板間距4cm，電壓15V，調節原水pH=3，絕緣粒子與活性炭顆粒的質量之比為0.3，添加Na2SO4使電流強度為0.40A，分別以不銹鋼和石墨為陽極進行電解，電解時間為3h，攪拌，每隔0.5h 取樣測定TNT與COD。實驗結果見圖11、圖12。

圖11 陽極材料對TNT 去除率的影響

圖12 陽極材料對CODcr 去除率的影響

3 結論

3.1 通過單因素實驗，可以得出以本次試驗自行設計的三維電極反應器處理項目廢水，最優試驗條件參數：槽電壓15V，陰陽極板間距4cm，輔助電解質為Na2SO4，電流密度為20 mA/cm2，攪拌轉速為260r/min。

3.2 在酸性條件下，電解效果明顯好于堿性條件。主要是隨著pH 值的減小，溶液的析氧過電位增大，可以有效抑制析氧副反應的發生。但是酸性過強，也容易腐蝕電極和反應器，所以電解原廢水最適初始pH=3。

3.3 在三維電極反應器中投加一定量的絕緣物質可改善粒子與粒子及粒子與溶液之間的接觸狀態，讓大量的粒子彼此孤立，增加極化粒子的數量，減少粒子之間短路情況的發生，提高電能利用率。實驗證明：在廢水pH，電解電壓、電流，攪拌、電解時間相同時，在絕緣粒子與導電粒子的質量為0.3，試驗廢水有機物TNT 及COD 降解效果最好。