三維電極電化學反應器的改進研究

摘 要：采用自制三維電極電化學反應器，以模擬苯酚廢水為處理對象，考察了活性炭和石英砂填充物配比、出水流速等因素對苯酚和COD處理效果的影響。其中在苯酚濃度為200 mg/L、電流為恒流2 A、填充物配比為9：1、流量為16 mL/min的條件下，采用中間出水時，苯酚去除率為98.6%，能耗為5.67 kWh/kg，COD去除率為83.8%，能耗為2.90 kWh/kg。實驗結果表明，加入一定比例的石英砂對COD處理效果有顯著提高，而且加入石英砂后處理苯酚和COD的能耗均有不同程度的降低。

關鍵詞：三維電極；電化學反應器；改進研究

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9655（2025）01-00-04

0 引言

三維電極反應器是一種高效的廢水處理技術，通過電化學反應將廢水中的有機物和無機物轉化為無害物質。該技術在處理難降解有機廢水和含有氰化物、重金屬等有毒有害廢水方面具有顯著的優勢，但投資成本高、運行管理復雜，實際應用中需考慮經濟效益和環境效益的統一。

為解決這些問題，研究人員正致力于改進電解反應器結構、研制新型高效陽極材料以及與其他方法聯用。此前眾多學者致力于對傳統二維電解槽的陽極進行材料改進及表面修飾，而使其具有較高的催化性能，但未取得突破性進展[1，2]。隨著三維電極反應器的產生和發展，復極性電解槽（BPBC）的研究備受青睞[3-5]。其中，改變填料種類和配比是提高三維電極反應器效率的重要手段。填料直接影響反應器的電化學性能和廢水處理效果，常用的填料包括碳材料、金屬氧化物和導電聚合物等。優化填料配比可以提高廢水處理效果，不同填料之間存在協同或競爭作用，合理配比可進一步提高處理效率。選擇合適的填料種類和優化配比，實現對反應器性能的調控和優化，可提高廢水處理效率和經濟性。

本文研究的主要內容是考察填充物配比，即考察顆粒電極填充物中活性炭和石英砂不同配比，以及出水流速對于苯酚降解效果的影響，從而達到改進三維電極反應器的目的。

1 實驗準備

1.1 主要儀器和試劑

紫外可見分光光度計—T6型，直流穩壓穩流電源—LW10J10型，pH計—F2，水泵—RS-46BB。Φ2mm柱狀活性炭顆粒，石英砂（SiO2" 97%，Fe2O3 0.03%）。

1.2 測定方法

苯酚 4-氨基安替比林分光光度法[1]（水和廢水監測分析方法第四版）；COD 化學需氧量的測定快速消解分光光度法[2]。

1.3 實驗裝置

實驗裝置采用圓柱形有機玻璃三維電化學反應器（圖1），有效尺寸為Φ7.0 cm×10 cm。電極為內徑為Φ0.6 cm的圓柱形過濾式電極，材質為金屬鈦，孔徑為30～50 μm。電極以正多邊形陰陽極交錯式排布。電極間填充活性炭，其床層體積為1200 mL。

2 實驗機理

三維電解池處理廢水的原理是利用電化學反應，將廢水中的有機物和無機物轉化為二氧化碳、水和氫氣等無害物質。三維電解池由曝氣過濾系統和填料電極系統兩部分組成[3]。曝氣過濾系統位于裝置的下部分，使廢水充分充氧過濾；填料電極系統在曝氣過濾系統上部，是三維電解池的重要組成部分，主要位于曝氣過濾系統的上部。這一系統中主要包括主電極和粒子電極，二者通過直接或間接的方式連接起來，使得電極整體的表面活性區域明顯增加。被處理的廢水與粒子電極混合，其中的污染物會被吸附在粒子電極上，然后通過溶解氧氣并通入三維電解槽中進行處理。此外，根據不同的工作要求，可以選擇將粒子材料作為固定填充或流動填充在三維電極反應器中[4]，如將其固定填充時被稱為固定床反應器，流動填充時則被稱為流化床反應器?？偟膩碚f，填料電極系統的作用是進一步氧化廢水，降解廢水中難降解的有機污染物，從而達到凈化廢水的目的。

三維電極反應器的工作機理主要是通過主電極間足夠高的外加電壓使導電顆粒沿電場方向兩端的電位降超過陰陽兩極反應的可逆電勢時，工作電極粒子因靜電感應而分別帶上正負電荷，使每一個粒子成為一個獨立的立體電極，粒子兩端同時發生電化學氧化和電化學還原反應，縮短了傳質距離，提高了電流效率。同時粒子之間構成一個微電解池，整個反應器由這些微電解池組成。在這些微電解池的電解作用下，產生具有強氧化性的羥基自由基·OH，同時陽極反應生成 Fe2+和進一步生成的H2O2構成Fenton試劑，也可以有效降解有機物。

3 實驗過程

3.1 填充物的配比對處理效果的影響

實驗根據實際印染廢水的濃度，采用自配苯酚模擬廢水作為處理對象，苯酚濃度約為200 mg/L，COD濃度約為500 mg/L。實驗過程中將苯酚廢水由泵從反應器底部進水口泵入，經填充物床層從反應器頂端中間出水口流出。出水流速為20 mL/min，改變活性炭與石英砂的配比，測得出水苯酚的濃度和COD值，計算苯酚和COD去除率并記錄結果。

從圖2可以看出，活性炭與石英砂配比為9：1時，隨出水時間的變化，苯酚去除率基本保持在98.5%左右，而COD的去除率隨時間變化較大，變化范圍為70.2%～84.2%，均值約為79.2%。出水COD的去除率比苯酚去除率低近20%，是由于在降解過程中，苯酚未被完全氧化，生成了一些其他中間產物所致。

當活性炭與石英砂配比為8：2時，苯酚的去除率相比配比為9：1時有所下降，約保持在96.5%；而COD的去除率隨時間出現了較大幅度的變化，變化范圍擴大至60.3%～86.0%，均值約為73.4%左右。

進一步增加石英砂配比，導致反應器電阻過大，相同電壓下無法提供2A的恒定電流。因此，采用進一步降低石英砂配比，考察其影響，實驗結果如圖1填充物配比為9.5：0.5時的圖例。從圖上可以看出，填充物配比為9.5：0.5的條件下，苯酚去除率保持在97.5%左右，而COD的去除率實驗初期也能保持在相對較高的水平，但隨反應時間的延長，其COD去除率逐漸下降，最終降至56.7%。

為證明填充物中石英砂的摻入是否有助于提升苯酚降解的效果，采用填充物中只有活性炭，不摻入石英砂作為比照實驗。實驗結果如圖3所示。

結果表明，填充物為活性炭時，苯酚的去除率約保持在97.3%，COD去除率約保持在66.5%。大幅低于活性炭與石英砂配比為9：1時的處理效果，說明填充物中加入一定配比的石英砂對苯酚和COD的去除率都有顯著提高，尤其對COD的處理效果更為明顯。

綜上所述，改變填充物活性炭和石英砂配比時，確實對處理效果產生較大的影響，這主要是因為在電化學反應中，電子從一種物質轉移到另一種物質，從而形成了新的化合物。在這個過程中，電極起到了關鍵作用，電極可以是陽極也可以是陰極，取決于其在反應中失去或獲得電子。

本實驗中選擇的填充物活性炭是一種優良的電化學催化劑，具有大量的微孔和表面積，可以提供大量的活性位點，增加電化學反應效率，同時活性炭還具有吸附廢水有害物質的作用。石英砂則是一種惰性填充物，它可以提供穩定的電極表面，防止電極的腐蝕和磨損。石英砂的硬度較高，可以承受電化學反應過程中可能產生的高壓。因此，實驗中選擇以上兩種物質作為填充物進行實驗。

實驗結果表明，當活性炭與石英砂配比為9：1時達到最好處理效果，分析原因主要是因為在這種配比下，活性炭和石英砂的比例適中，既可以提供足夠的活性位點和吸附能力，又可以保證電極的穩定性和耐用性，從而持續為化學反應提供足夠多的電子。

3.2 出水流速對處理效果的影響

在電化學反應中，出水流速直接關系到污染物在反應器中的停留降解時間，因此其也是非常重要的實驗參數之一。本實驗在保持電流2 A，填充物活性炭與石英砂配比為9：1且其他條件不變的條件下，改變進水流速分別為10 mL/min、20 mL/min和30 mL/min，考察其對處理效果的影響。

從圖4，對比圖2可以看出，將流速降低為10 mL/min時，苯酚的去除率均值保持在97.0%左右，COD去除率范圍在71.0%～88.2%，均值約為78.6%。苯酚與COD的去除率保持在較高水平。當增大出水流速至30 mL/min，流速較大時，盡管苯酚的去除率依然相對較高，但COD去除率出現了較大幅度的下降，其變化范圍為50.0%～81.6%，均值降至63.2%左右。以上實驗結果表明，出水流速對苯酚的降解效果影響較大，尤其對COD的去除率的影響更大。

通過以上實驗，可以看出出水流速在10 mL/min和20 mL/min時，其處理效果都是比較理想，當出水流速達到30 mL/min時，反應器的處理效果開始下降。原因分析：本實驗的出水流速其實主要是控制三維電化學反應器的停留時間，廢水在電極表面的停留時間過長，可能會導致電極上的污染物積累過多，從而影響電化學反應的效果，降低其對廢水的處理效果。相反，如果停留時間過短，可能會導致電化學反應無法充分進行，甚至廢水中的有害物質無法充分接觸到電極，從而影響廢水的處理效果。本實驗雖然出水流速為10 mL/min和20 mL/min時處理效果相當，但是從時間成本考慮，最終選擇20 mL/min為最佳出水流速。

4 結論

本實驗通過改進傳統活性碳三維電極反應器，在填充物中加入了一定配比的石英砂，對苯酚模擬廢水進行處理，考察了不同填充物配比及出水流速對苯酚和COD降解效率的影響。通過實驗得到以下結論：顆粒電極填充物中活性炭和石英砂填充物配比為9：1，電流2A，流速為20 mL/min，苯酚去除率最大為98.6%，COD去除率最大為83.8%。實驗表明，通過改變三維電極填充物配比、電流及出水流速等條件，可以達到優化反應器處理效果的目的，為改進傳統三維電極反應器提供基礎性數據。

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收稿日期：2024-01-09

作者簡介：王世真（1976- ），男，遼寧大連人，主要從事環境監測工作，對電化學處理高濃度污水等方面有所研究。

Abstract： A self-made three-dimensional electrode electrochemical reactor was used to treat simulated phenol wastewater in this study， and the influence of factors such as the ratio of activated carbon and quartz sand fillers and the flow rate of effluent on the treatment efficiency of phenol and COD was investigated. Under the conditions of a phenol concentration of 200 mg/L， a constant current of 2 A， a filler ratio of 9：1， and a flow rate of 16 ml/min， the removal rate of phenol was 98.6%， the energy consumption was 5.67 kWh/kg， and the COD removal rate was 83.8%， with an energy consumption of 2.90 kWh/kg when using intermediate effluent. The experimental results showed that the COD treatment efficiency was significantly improved， and the energy consumption was reduced when a certain proportion of quartz sand was added.