復(fù)極性三維電極法處理硝基苯廢水的實驗研究

肖 智, 陸雪梅, 徐炎華

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210009)

0 引 言

硝基苯是應(yīng)用廣泛的化工基礎(chǔ)原料。環(huán)境中的硝基苯主要來自石油化工廠和染料廠的廢水、廢氣等。由于硝基苯可經(jīng)皮膚、呼吸道等多途徑吸收,并具有高毒性和難降解性,嚴(yán)重威脅人類和其它生物的健康,因而成為我國優(yōu)先控制的污染物[1-2]。因此,如何治理和消除此類化合物對環(huán)境的污染以及對生物的危害已成為環(huán)保工作者的研究熱點。

目前,國內(nèi)外硝基苯廢水的處理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法等。生物法雖然環(huán)境安全性高、運(yùn)行成本低,但因硝基苯的生物毒性較強(qiáng),通常需預(yù)處理后方可采用此法處理[3-4]。而活性炭吸附、萃取等物理化學(xué)方法處理硝基苯廢水,又大都存在運(yùn)行費用高、處理效果不夠理想等問題。三維電極是一種新型的電化學(xué)反應(yīng)器,又叫粒子電極或床電極。它是在傳統(tǒng)二維電解槽電極間裝填粒狀或其它碎屑狀工作電極材料,由主電極供給電流,使裝填的工作電極材料表面帶電,成為新的電極,從而大大增加工作電極表面積,減小反應(yīng)物遷移的距離,提高電解效率,成為有效處理有害有機(jī)物的新方法[5]。該法作為一項新興的高級氧化技術(shù),具有處理效果好、電流效率高及無二次污染等優(yōu)點,在硝基苯廢水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

文中采用復(fù)極性三維電極法處理硝基苯模擬廢水,系統(tǒng)考察了反應(yīng)過程中的影響因素及變化規(guī)律,并對各種影響因素進(jìn)行優(yōu)化,為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

722可見分光光度計,上海棱光技術(shù)有限公司;

PHS-3C型pH計,上海精密科學(xué)儀器有限公司;

電解槽(有機(jī)玻璃,20 cm×10 cm×10 cm),自制。

硝基苯、乙醇、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵銨、亞硝酸鈉、氨基磺酸銨、萘乙二胺,均為分析純;

顆?；钚蕴?工業(yè)級;實驗用水為超純水。

1.2 實驗廢水

實驗對象為硝基苯模擬廢水:以乙醇為溶劑,將硝基苯配制于乙醇溶液中,模擬廢水的COD值約為 35000mg/L,硝基苯濃度約為260 mg/L。

1.3 分析方法

硝基苯按照還原-偶氮光度法(GB/T13194-1991)測定;

COD按照標(biāo)準(zhǔn)回流法(GB/T11914-1989)測定。

1.4 顆?；钚蕴康念A(yù)處理

將顆?；钚蕴糠謩e經(jīng)酸洗、堿洗、水洗后,在105℃下烘干待用。將上述烘干后的顆?；钚蕴咳舾膳c150 mL硝基苯模擬廢水倒入250 mL錐形瓶中,在搖床內(nèi)振蕩8 h后,測定錐形瓶內(nèi)廢水中硝基苯的平衡濃度;反復(fù)進(jìn)行上述吸附實驗,當(dāng)硝基苯初始濃度和平衡濃度基本一致時,活性炭吸附飽和,可投加到電解槽內(nèi)進(jìn)行電解實驗。

1.5 實驗方法

實驗采用的電解槽以石墨為陽極,鐵板為陰極。將配制好的硝基苯模擬廢水加入電解槽中進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)。采用單因素實驗法,以廢水COD和硝基苯去除率為主要評價指標(biāo),考察電解電壓、反應(yīng)時間、顆粒活性炭投加量、電極板間距、電解質(zhì)質(zhì)量、廢水的初始pH值等條件對脫除效果的影響。

2 結(jié)果與討論

影響復(fù)極性三維電極法處理有機(jī)廢水效果的因素主要有電解電壓、反應(yīng)時間、活性炭填充量、電極間距、廢水初始pH 值等[5-9]。

2.1 電解電壓的影響

在廢水量為1000 mL,電極板間距為4 cm,活性炭填充量為25 g,廢水初始pH值約為7.0的條件下,選定電壓范圍為 10～20V,每隔15 min取樣,考察電解電壓對COD及硝基苯去除率的影響,如圖1所示。

圖1 電解電壓對硝基苯和COD去除率的影響

從圖1可以看出,COD和硝基苯的去除率隨著電解電壓的增大而增大。這主要是因為電解電壓越大,溶液中的反應(yīng)電流就越大,活性炭粒子的電解池反應(yīng)效率就越高,電解過程產(chǎn)生的·OH自由基也越多。所以,在反應(yīng)開始階段,去除率隨電壓增大而迅速增大?？紤]到繼續(xù)升高電解電壓可能會發(fā)生劇烈的副反應(yīng)。因此,實驗小試中,選擇電解電壓為20V左右。反應(yīng)時間為60 min時,硝基苯去除率和COD去除率分別達(dá)80%和50%以上。

2.2 反應(yīng)時間的影響

反應(yīng)時間是影響處理效果的一個重要因素?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,廢水初始pH值約為7.0,電極板間距為4 cm,活性炭填充量為25 g,考察電解時間對COD去除率及硝基苯去除率的影響,如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時間對硝基苯和COD去除率的影響

由圖2可見,在反應(yīng)前60 min內(nèi),COD和硝基苯的去除率隨反應(yīng)時間的延長而迅速增大。當(dāng)反應(yīng)時間超過60 min以后,去除率基本維持穩(wěn)定。這可能是因為反應(yīng)一定時間后,發(fā)生了一些副反應(yīng),或生成了難以被處理的中間體,致使COD和硝基苯的去除率不再增加。因此,實驗確定的最佳反應(yīng)時間為60 min。

2.3 顆?；钚蕴刻畛淞康挠绊?/h3>

不同活性炭投加量對廢水的處理效果也不同。增加活性炭填充量,可以提高溶液中的反應(yīng)電流,從而提高處理效果?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,廢水初始pH值約為7.0,電極板間距為4 cm,反應(yīng)時間為60 min,考察活性炭填充量對COD去除率及硝基苯去除率的影響,如圖3所示。

圖3 活性炭填充量對硝基苯和COD去除率的影響

從圖3可以看出,當(dāng)活性炭填充量小于25 g時,隨著活性炭填充量的增加,COD和硝基苯去除率呈迅速增大趨勢;而當(dāng)活性炭填充量高于25 g時,隨著填充量的繼續(xù)增加,去除率增加趨勢變緩。這可能是由于活性炭過量時,增加了粒子間的短路電流,導(dǎo)致部分粒子電極沉淀在反應(yīng)器底部,而起不到催化作用。實驗確定活性炭最佳填充量為25 g/L。

2.4 電極板間距的影響

電極板間距的大小也直接影響三維電極對有機(jī)廢水的處理效果?？刂齐娊怆妷簽?0V,廢水量為1000 mL,活性炭為25 g,廢水初始pH值約為7.0,反應(yīng)時間為60 min,考察電極板間距對COD和硝基苯去除率的影響,如圖4所示。

圖4 電極板間距對硝基苯和COD去除率的影響

從圖4可以看出,廢水處理效果隨電極板間距增大呈增大趨勢。但是電極板間距過大時,有機(jī)物去除效果反呈下降趨勢。這可能是由于電極板間距的變化引起了反應(yīng)體系的電阻變化,導(dǎo)致電解過程副反應(yīng)的增加,因而對廢水的處理效果下降;也可能是由于隨著電極板間距的增大,極板間相對廢水的含量較多,使得溶液中無用的旁路電流增多。因此,實驗小試選取電極板間距為4 cm。

2.5 廢水初始pH值的影響

試驗采用硫酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值,實驗條件為電壓20V,廢水量1000 mL,板間距4 cm,活性炭填充量25 g,反應(yīng)時間60 min,考察不同的廢水初始pH值對處理效率的影響,如圖5所示。

圖5 廢水初始pH值對硝基苯和COD去除率的影響

從圖5可以看出,廢水的初始pH值對處理效果有一定的影響,在pH值為6.0～7.0的弱酸性條件下,去除率比其它條件下稍高。這是由于弱酸性條件下,反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫能夠直接氧化廢水中的硝基苯及其中間產(chǎn)物,從而提高對廢水的處理效果。因此,實驗選擇廢水的初始pH值為6.0～7.0。

2.6 電解質(zhì)投加量的影響

在電解液中加入一定量的電解質(zhì)可以增大溶液的導(dǎo)電性。實驗探討了不同電解質(zhì)投加量對處理效果的影響?？刂茖嶒灄l件為:電解電壓20V,廢水量1000 mL,廢水的初始pH值約為7.0,板間距4 cm,活性炭質(zhì)量25 g,反應(yīng)時間60 min,如圖6所示。

從圖6可見,隨著電解質(zhì)投加量的增加,硝基苯去除率先增加,后減少,COD去除率也是如此。這是由于當(dāng)電解質(zhì)的投加量小于0.8 g/L時,電解質(zhì)主要起導(dǎo)電的作用,從而提高了體系的電流強(qiáng)度,使處理效果增加顯著。而當(dāng)電解質(zhì)投加過量時,電流強(qiáng)度過大(主要是短路電流),可能會導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生,反而使處理效果變差。因此,實驗選取電解質(zhì)的投加量為0.8 g/L。

圖6 電解質(zhì)投加量對硝基苯和COD去除率的影響

3 結(jié) 語

實驗采用復(fù)極性三維電極對硝基苯模擬廢水進(jìn)行降解處理,著重研究了電解電壓、停留時間、活性炭投加量、電極間距、廢水初始pH值等多種因素對硝基苯及COD脫除效率的影響。實驗確定的最佳反應(yīng)條件為:電解電壓20V,停留時間60 min,活性炭投加量25 g/L,電極間距4 cm,廢水的初始 pH值6.0～7.0,電解質(zhì)的投加0.8 g/L。在此條件下,復(fù)極性三維電極法對廢水的硝基苯及COD去除率分別達(dá)到80%和50%以上。

與傳統(tǒng)的二維電極相比,三維電極顯示出極大的優(yōu)越性,大大提高了對高濃度有機(jī)難降解廢水的處理效果,在有機(jī)廢水處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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