石墨陽極電催化氧化亞甲基藍廢水試驗研究

摘要：本研究以石墨板為陽極，不銹鋼板為陰極，采用電催化氧化法處理亞甲基藍廢水，考察石墨極板間距、電流密度、電解質濃度、亞甲基藍初始濃度對亞甲基藍降解速率和比能耗的影響。結果表明，極板間距為1.25 cm，電解質濃度為2.0 g/L，電流密度為4.36 mA/cm2，亞甲基藍初始濃度為100 mg/L時，降解速率達到7.0 g/（m2·h），比能耗為28 kW·h/kg，石墨陽極能夠快速無害化去除亞甲基藍，在該類型廢水處理和回用方面具有很大的應用潛力。

關鍵詞：石墨陽極；電催化氧化；亞甲基藍

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）06-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.06.006

Experimental Study on Graphite Anode Electrocatalytic Oxidation of Methylene Blue Wastewater

WANG Rong1， YANG Zhaohui2

（1. Anqing Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment of Ecological Environment Protection， Anqing 246003， China; 2. School of Resources and Environment， Anqing Normal University， Anqing 246011， China）

Abstract： Using graphite plate as the anode and stainless steel plate as the cathode， the methylene blue wastewater is treated by electrocatalytic oxidation method， so as to investigate the effects of graphite plate spacing， current density， electrolyte concentration， and initial concentration of methylene blue on the degradation rate and specific energy consumption of methylene blue in this study. The results show that when the plate spacing is 1.25 cm， the electrolyte concentration is 2.0 g/L， the current density is 4.36 mA/cm2， and the initial concentration of methylene blue is 100 mg/L，

the degradation rate reaches 7.0 g/（m2·h）， and the specific energy consumption is 28 kW·h/kg， graphite anode can quickly and harmlessly remove methylene blue， which has great potential for application in the treatment and reuse of this type of wastewater.

Keywords： graphite anode; electrocatalytic oxidation; methylene blue

亞甲基藍是印染廢水中一種常見的難降解污染物[1-6]。由于使用場景廣泛，亞甲基藍等染料每年在使用過程中都會產生大量的染料廢水，這種染料廢水大都有色度大、可生化性差、有機物含量高、生物毒性大等特點，如不加以處理，會對環境造成巨大的損害。亞甲基藍廢水主要來自印染工藝，其對水環境的危害大，并且處理難度高[1-2]。電催化氧化是新興的綠色水處理技術，但以石墨板為陽極的電催化氧化處理亞甲基藍廢水的研究較少。本試驗采用石墨板為陽極、鋼板為陰極，電催化氧化亞甲基藍廢水，研究不同電流密度、極板間距、電解質濃度、亞甲基藍初始濃度對亞甲基藍降解速率與比能耗的影響，以期獲得電催化氧化亞甲基藍的最佳工藝參數。

1 試驗流程

1.1 材料與設備

主要試劑有亞甲基藍（固體）、氯化鈉（固體）和無水乙醇。其他材料有石墨板（厚1.5 mm）、不銹鋼板（厚1.5 mm）。試驗儀器有可見光分光光度計、直流電源、超聲波清洗機、電熱鼓風干燥箱、電子天平、電磁式空氣泵等。

1.2 試驗方法

一是改變極板間距。亞甲基藍初始濃度為5 mg/L，電解質NaCl濃度為0.6 mg/L，電流密度為4.36 mA/cm2，

石墨板為陽極，不銹鋼板為陰極，電催化氧化1 h，檢測亞甲基藍濃度，計算分析亞甲基藍降解速率和比能耗。二是改變電解質NaCl濃度。極板間距為1.25 cm，

檢測亞甲基藍濃度變化。其他參數和試驗方法同改變極板間距試驗。三是改變電流密度。電解質NaCl濃度為2.0 g/L，其他參數和試驗方法同改變電解質NaCl濃度試驗。四是改變亞甲基藍初始濃度。電流密度為4.36 mA/cm2，其他參數和試驗方法同改變電流密度試驗。

1.3 分析方法

采用可見光分光光度計，在波長665 nm、光徑

1 cm的條件下檢測亞甲基藍溶液濃度[4-5]。降解速率采用式（1）進行計算，比能耗采用式（2）進行計算。

（1）

（2）

式中：VC為降解速率，g/（m2·h）；P為比能耗，kW·h/kg；Ci為反應前亞甲基藍濃度，g/L；Ci+1為反應后亞甲基藍濃度，g/L；V為溶液體積，L；T為電解時間，h；I為電流，mA；U為電壓，V。

2 結果與討論

2.1 極板間距

亞甲基藍初始濃度為5 mg/L，電解質NaCl濃度為0.6 mg/L，電流密度為4.36 mA/cm2時，進行6組試驗，不同極板間距對亞甲基藍降解速率的影響如圖1所示。極板間距分別為1.25 cm、2.50 cm、3.75 cm和5.00 cm時，降解速率隨著時間推移呈現下降趨勢。反應60 min后，降解速率都維持在1.6 g/（m2·h），相同電流密度下，不同極板間距對降解速率的影響不大。

不同極板間距對亞甲基藍降解比能耗的影響如圖2所示。隨著反應時間延長，亞甲基藍降解比能耗總體上呈現先低后高的變化趨勢。極板間距分別為6.25 cm、7.50 cm時，反應10～20 min的比能耗較高，后面時間也呈現先低后高的變化趨勢。比能耗增加可能與反應器內電解質NaCl分解和亞甲基藍濃度變低有關。運行60 min后，比能耗最低的是1.25 cm組，為174 kW·h/kg，比能耗最高的是7.50 cm組，為848 kW·h/kg，間距最高是最低的6倍，比能耗最高是最低的4.87倍。為了保持電流密度不變，極板間距增加，電壓相應調高，耗電量增大。另外，由于極板間距較大，內阻增加，電耗必然增加。較低的極板間距可以提高電流效率，降低比能耗，但極板間距過小，容易造成極板結垢、難清洗等問題。

2.2 電解質濃度

極板間距為1.25 cm，電流密度為4.36 mA/cm2，亞甲基藍初始濃度為5 mg/L時，不同電解質濃度對亞甲基藍降解速率的影響如圖3所示。隨著時間的延長，降解速率逐漸降低。反應10 min時，降解速率最高的是5.0 g/L組，最低的是1.5 g/L組，初始濃度最高是最低的3.33倍，降解速率最高是最低的1.72倍。電解質濃度的提高可以加快降解速率，對于電解質不足的亞甲基藍廢水，可以投加電解質提高降解速率，但電解質投加量與降解速率提高不是線性關系，電解質濃度過高，提高效果不明顯[6]。

不同電解質濃度對去除亞甲基藍比能耗的影響如圖4所示。隨著反應時間延長，比能耗增加。其中，2.0 g/L組、3.0 g/L組和5.0 g/L組的比能耗較低，約為60 kW·h/kg，1.0 g/L組比能耗最高，為223 kW·h/kg，最高是最低的3.7倍。電解質濃度對比能耗影響較大，電解質NaCl分解產生次氯酸，可以提高亞甲基藍降解效果[7]，NaCl濃度偏低時，電能部分用于電解水，造成能量損失。電解質濃度過高時，過量的次氯酸不能加快亞甲基藍降解速率。本試驗條件下，電解質濃度為2.0 g/L時，亞甲基藍去除效果最佳。

2.3 電流密度

極板間距為1.25 cm，電解質濃度為2.0 g/L，亞甲基藍初始濃度為5 mg/L，不同電流密度對亞甲基藍降解速率的影響如圖5所示。隨著反應時間延長，降解速率逐漸降低。反應10 min時，降解速率最高的是24 mA/cm2組，最低的是4 mA/cm2組，最高是最低的3倍。反應60 min時，最高是最低的1.2倍。電流密度對降解速率的影響很大，同時與底物濃度和電解質濃度密切相關[8]。

不同電流密度對去除亞甲基藍比能耗的影響如圖6所示。隨著電流密度的增加，降解速率加快，所需的比能耗也增加。電流密度為4.36 mA/cm2時，比能耗較低。電流過大時，副反應較多，損失較大，電流較低時比能耗較低，但是電流密度過低，底物降解速率也偏低，相同處理能力需要的極板面積增大。

2.4 初始濃度

極板間距為1.25 cm，電流密度為4.36 mA/cm2，電解質NaCl濃度為2.0 g/L時，不同亞甲基藍初始濃度對亞甲基藍降解速率的影響如圖7所示。初始濃度分別為100 mg/L和150 mg/L時，降解速率基本保持不變，約為7.0 g/（m2·h）。初始濃度不大于50 mg/L時，反應速率隨時間推移逐漸降低。降解速率與初始濃度關系密切，本試驗條件下，初始濃度低于100 mg/L時，濃度越高，降解速率越大。初始濃度為100～150 mg/L時，降解速率沒有提高。

不同亞甲基藍初始濃度對去除亞甲基藍比能耗的影響如圖8所示。亞甲基藍濃度越低，比能耗隨時間變化越大，說明亞甲基藍濃度與比能耗密切相關。亞甲基藍初始濃度為100 mg/L時，電催化氧化所需的比能耗最低為28 kW·h/kg。本試驗條件下，為提高能量利用效率，反應器內底物濃度不宜低于100 mg/L。

3 結論

試驗結果表明，極板間距為1.25 cm，電解質NaCl濃度為2.0 g/L，電流密度為4.36 mA/cm2，亞甲基藍初始濃度為100 mg/L時，亞甲基藍廢水電催化氧化的降解效果最佳，降解速率為7.0 g/（m2·h），比能耗為28 kW·h/kg。電解質濃度和電流密度不宜過高或過低，極板間距宜盡量小，極小極板間距電催化氧化效果有待進一步研究。

參考文獻

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