三維電極－電Fenton耦合法降解廢水中羅丹明B

黔東南州生態環境局天柱生態環境監測中心 蔣榮瓊

1 引言

當前，電化學方法在有機廢水處理上已經廣泛應用，無論是國內還是國外，都已經對電化學的催化材料、反應工藝，以及電極材料都大量的探索研究。三維電極－電Fenton 耦合法是一種能產生·OH 自由基電化學技術，·OH自由基團具有氧化能力強、自由基氧化徹底、自由基選擇性小、反應速率高、容易控制和使用靈活等優勢。該方法在降解低濃度和難降解的有機污染廢水中有廣泛的應用前景。

羅丹明B 分子式：C28H31ClN2O3，是一種通過人工合成的鮮桃紅色染料。易溶于水和乙醇，經常用于做試驗中細胞的熒光染色劑、也廣泛應用于有色玻璃、特種煙花等行業。但2017年10月，世界衛生組織國際癌癥研究機構在公布的致癌物清單初步整理參考中，將羅丹明B 例入在三類致癌物。

本文將闡述利用三維電極－電Fenton 耦合法對羅丹明B 有機廢水進行電化學降解。使得有機污染廢水得以快速、高效的降解。

2 試驗方法

2.1 模擬廢水水質

試驗采用模擬的有機廢水為羅丹明B 溶液。即羅丹明B 溶液的濃度為30mg/L，pH 調至中性，樣品在低溫、黑暗條件下保存。實驗溫度均為室溫，實驗中使用的水均為蒸餾水。

2.2 實驗裝置及方法

試驗反應裝置為自行設計裝置，整個電化學反應裝置系統由直流穩壓電源、電解槽、曝氣裝置、電極及其附屬件組成[2-3]。電解槽采用無隔膜薄壁500ml 的方形玻璃杯，試驗時將經過預處理過的多孔活性炭加入電解槽，形成第三電極。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖

試驗中采用的電極材料，在反應前先用濃硫酸等預處理。極板的有效面積為5cm×4cm，在反應容器電解槽里添加的活性炭顆粒也經模擬廢水完全浸泡直至吸附飽和。在電解槽中加入待測廢水400ml，接通電源后，通過控制不同變量，進行電化學反應。反應開始后，每次間隔10min 取樣10ml 左右的溶液，經0.45μm 濾膜過濾，在波長為200～600nm進行光譜掃描，得出羅丹明B 光譜掃描的特征得出吸收峰在544nm 處，再以544nm 為吸收波峰值，作出的羅丹明B 的標準曲線，再根據標準曲線，計算出實驗過程中的降解濃度。

3 降解模擬有機廢水的試驗

本文將闡述采用三維電極－電Fenton 耦合法對模擬有機廢水進行實驗降解。在不同活性炭加濃度、不同電極材料、不同電壓、模擬廢水pH、電極板間距、不同電流、不同初始濃度等情況下對有機廢水的降解程度進行探究。

3.1 不同活性炭量濃度對降解效果的影響

在試驗中，以不銹鋼為陽、陰電極，電壓15V，pH 值為7，電流3A，電極間距3.0cm，保持一定的曝氣速率的條件下，在反應器中分別加入3g、4g、5g、6g、7g、8g、10g 的經預處理的活性炭，對30mg/L 濃度的羅丹明B 模擬廢水進行三維電極－電Fenton 耦合法電化學降解反應。

試驗以得出：活性炭的加入量為5g 比加入量為6g 的去除效率少5%，而加入量為6g 與比7g 去除效率僅僅提升1%，實驗表明：在模擬有機廢水中添加活性炭導電粒子，可以增加第三電極數量，增加氧化降解反應面積，這種條件下有機污染物可以得到更徹底、快速的降解。但充活性炭到達一定量后，降價率所能提升的空間飽和。所以本實驗活性炭填充粒子使用量為6g，濃度為1.5g/100L 最益。

3.2 不同電極材料對降解效果的影響

試驗中，分別以陽、陰極不銹鋼電極，陽極不銹鋼電極、陰極石墨電極，陽極石墨電極、陰極不銹鋼電極。在電極極板間距3.0cm、電壓15V、活性炭加入濃度為1.5g/100L、電流3A、溶液pH 值為7，保持一定的曝氣速率的條件下，溶液的初始濃度為30mg/L 的條件下實驗。

試驗得出：在廢水進行降解實驗50min 后，采用石墨板作為電解材料時的降解率要大大低于用不銹鋼作為電極材料時的降解率。采陽極不銹鋼電極、陰極石墨電極，陽極石墨電極、陰極不銹鋼電極降解率分別為87.1%和94.0%，而采用不銹鋼做電極時降解率為99.0%。所以采用不銹鋼作為陰、陽極電極材料對廢水降解效果要比采用石墨板電極的降解效率和資金投入方面都好。

3.3 不同電壓對羅丹明B 降解效果的影響

電壓是電化學降解反應電解槽內導電粒子極化的動力、電化學反應降解的基本動力。實驗中，陽極、陰極材料采用不銹鋼片作為電極，電極極板間距為1.5cm，活性炭加入濃度為1.5g/100L，電流3A，溶液pH 值為7，電極間距1.5cm，保持一定的曝氣速率的條件下，在反應槽中對電極施加5V、10V、15V、20V、25V 電壓進行試驗。

試驗得出：隨著電壓的增大，有機廢水羅丹明B 的降解率也隨之升高。在當電壓在15V 時，電解60min 后，降解率達到98.8%。超過15V 后隨電壓的升高降解率沒有明顯的增大，發生這種情況可能是由于廢水中的羅丹明B 絕大部分已經被降解，使得降解率不會有明顯的增加。所以從廢水污染物降解率和節能環保方面，采用電壓為15V 比較合適。

3.4 不同pH 對羅丹明B 降解效果的影響

在電化學反應試驗中，陽極、陰極材料均采用不銹鋼片作為電極，活性炭加入濃度為1.5g/100L，電壓15V，電流3A，電極間距3.0cm，保持一定的曝氣速率的條件下，將反應器中的溶液分別將pH調為3、5、7、9、10，在此條件下進行試驗。

試驗得出：在降解實驗處理前期（如前20min），在強堿和強酸、弱酸和弱堿的性條件下的降解率相差比較大。但隨著電解時間延長，這種差異越來越小。雖然在酸、堿的條件都對有機廢水羅丹明B 的降解有促進作用，但是在中性的條件下，通過延長部分電解時間，同樣可以使降解率達到一個理想值。所以從節約成本的前提下，采用在中性的條件下對模擬廢水中的羅丹明B 進行降解為益。

3.5 不同電極極板的間距對羅丹明B 降解效果的影響

在電化學反應試驗中，陽極、陰極材料采用不銹鋼片作為電極，電壓15V，活性炭加入濃度為1.5g/100L，電流3A，溶液pH 值為7，保持一定的曝氣速率的條件下，反應器中的電極極板間距分別設置為1.5cm、3.0cm、4.5cm。在此條件下對30mg/L 模擬廢水進行實驗。

試驗得出：當陽極、陰極兩極電板的間距較大時，模擬廢水羅丹明B 的降解速率較小。電極兩極板間距離越小時，降解的速率就越大。當電極極板4.5cm 時，降解50分鐘，降解率為83.5%，而當電極極板間距為1.5cm 時，降解率為90.4%。所以當電極極板較小時，降解效果較顯著。

3.6 不同電流密度對羅丹明B 降解效果的影響

電化學試驗反應中，陽極、陰極材料采用不銹鋼片作為電極，電極極板間距為1.5cm，活性炭加入量為6g，溶液pH 值為7，電壓15V，保持一定的曝氣速率的條件下，在反應器中對電極施加0.05A/cm2（1A）、0.15A/cm2（3A）、0.25A/cm2（5A）的條件下模擬廢水進行試驗。

試驗得出：降解有機廢水時，隨著電流密度越來越大，模擬廢水羅丹明B 的降解率也越來越高，反應開始前60min 差異明顯，產生差異的原因可能是隨著電流的增大，但隨著電解時間的增長，如到90min 后，模擬有機廢水中羅丹明B 的降解率差異減少，都達到98%以上。較大的電流密度促使羅丹明B 的降解率加快但是耗能較大。適當的電流密度通過延長部分電解時間也可以達到理想值的降解率，在實際的生產過程中，從節能減排、減少資金投入方面來討論，電流密度應選擇0.15A/cm2（3A）比較合適。

3.7 不同初始濃度對羅丹明B 降解效果的影響

電化學實驗反應中，采用陽極、陰極材料采用不銹鋼片作為電極，電極極板間距為1.5cm，活性炭加入量為6g，電壓15V，電流0.15A，電極間距1.5cm，pH 值為7，保持一定的曝氣速率的條件下，在反應器中分別加入10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L 羅丹明B 的模擬廢水進行試驗。

試驗得出：不同初始濃度的模擬廢水羅丹明B有機廢水在電解50min 后，降解率都達到98.8%。但是在反應初期（前30min）隨著初始濃度的增加，羅丹明B 的降解率也增加，換言之，在相同條件下對模擬有機廢水中的羅丹明B 進行降解，初始濃度越大，導致吸附在導電粒子活性炭表面的量就越多，對電反應降解的推動力也就越大。但是初始濃度不是越大越好，當達到一定相對值后，再加大的初始濃度將使模擬廢水中羅丹明B 的降解率不再隨濃度增加而增加，本實驗采用的羅丹明B 模擬廢水的濃度為30mg/L 比較合適。

4 電Fenton 與三維電極－電Fenton 偶合法降解率比較

三維電極－電Fenton 偶合法是在傳統的二維電極法上在電解槽里增加了導電粒子，形成第三電極發展起來的方法，傳統的二維電極法與三維電極－電Fenton 偶合法相比，是沒有在電解槽里加入導體粒子，在反應過程中未有第三電極的生成。試驗中，采用陽極、陰極材料采用不銹鋼片作為電極，電極極板間距為1.5cm，電壓15V，電流3A，pH 值為7，有機廢水初始濃度為30mg/L，保持一定的曝氣速率的條件下，分別采用電Fenton 與三維電極－電Fenton 偶合法對羅丹明B 的模擬廢水進行降解電化學反應。

試驗得出：電解時間為60min 時，傳統二維電極的降解率為41.4%，而三維電極－電Fenton 偶合法的降解率為94.4%。導致三維電極－電Fenton 偶合法降解率高的原因是由于在維電極－電Fenton偶合法的反應器中加入了導電的活性炭粒子，形成的第三極電極，增加了反應面積，產生的·OH 自由基增加，使得模擬有機廢水的降解率增加。

在相同的條件下，三維電極－電Fenton 偶合法降解有機廢水的速率比傳統二維電極法快的多，試驗探究證明：三維電極－電Fenton 偶合法能更有效地降解有機廢水。

5 結論

三維電極－電Fenton 耦合法是一種結合了電Fenton 法和傳統二維電極法的新型降解有機廢水方法。本文以自制的實驗反應裝置，在保持其他條件相同，只有一種變量不同條件下，用三維電極－電Fenton 耦合法對模擬廢水中羅丹明B 進行降解，實驗主要分析了在電化學反應三維電極－電Fenton耦合法中，采用了在活性炭加濃度、電極材料、電解電壓、模擬廢水pH、電極板間距、不同電流、不同初始濃度等不同因素對模擬有機廢水羅丹明B 降解影響，得出以下結論：

一是廢水中加入的活性炭導電粒子顆粒，可以使電解電極反應比面積增大，廢水的降解速率也就加快，但是加入的導體粒子達到一定值后，降解率不再隨導體粒子加入量增加而加快。

二是電解槽陰、陽兩電極材料對有機廢水的降解起到十分關鍵的作用。通過試驗對比：采用不銹鋼作為三維電極－電Fenton 耦合法兩極的電極材料，可以達到理想的降解值，同時還減少了電極材料的損耗，也符合減少資金投入的條件。

三是電解槽電極極板上電壓密度對廢水的降解效果影響較大，增大電解槽內的電壓，有機廢水的降解效果也隨著增大。主要原因是當加大電壓時，電解槽中的電勢強度得以增加，從而加入的第三電極受到的電勢極化作用也就越大，在電解槽中就會構成更多微型電解槽，增加了電反應的面積，提高降解速率。

四是電極極板間距也影響有機廢水降解率。當陰、陽兩電極的電極相距較近時，電勢的增強使得導體粒子活性炭更容易形成微型電解單元，吸附在導體粒子表面上及周邊的有機物得到降解，但當電極太過接近時達到一定的臨界值時，導體粒子就會游離在陰、陽兩電極極板之外，減少三維電極的化學反應面積，從而會降低有機廢水的降解速率。

五是電解槽電極極板上電流強弱對廢水的降解效果，隨著電流密度越大，模擬廢水的降解率也越高，但隨著降解時間的延長，不同電流的降解率差異不斷減小，如到90min 后，模擬有機廢水中羅丹明B 的降解率差都達到98%以上，在條件允許的情況下，采用0.15A/cm2（3A）電流密度，且適當延長降解時間，可降低降解成本。

六是試驗證明了三維電極－電Eenton 偶合法對有機廢水中羅丹明B 降解有較好的效果。