電化學(xué)處理對(duì)硝基苯酚模擬廢水的研究

黃晶，王營(yíng)茹

（武漢工程大學(xué) 環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

電化學(xué)處理對(duì)硝基苯酚模擬廢水的研究

黃晶，王營(yíng)茹

（武漢工程大學(xué) 環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

以鈦釕電極為陽(yáng)極、鋼板為陰極，對(duì)含對(duì)硝基苯酚（PNP）的模擬廢水進(jìn)行了電化學(xué)處理. 試驗(yàn)研究了外加電壓、極板間距、電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液pH值、電解時(shí)間等因素對(duì)PNP處理效果的影響，結(jié)果表明：外加電壓7 V，pH=10～11，極板間距2 cm，支持電解質(zhì)Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的條件下，電解5 h，PNP的去除率可達(dá)89.3%.

電化學(xué)處理；鈦釕電極；PNP模擬廢水

對(duì)硝基苯酚（PNP）及其鈉鹽既是染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等化工產(chǎn)品的重要中間體，也是各國(guó)重點(diǎn)監(jiān)控的水體污染物. 目前，處理PNP廢水的方法有溶液萃取法[1]、黏膠基活性碳纖維吸附法[2]、生物處理法[3]、電Fenton法[4]等，高級(jí)氧化技術(shù)也廣泛應(yīng)用于難生化降解廢水的治理，但需要投加氧化劑，電化學(xué)氧化技術(shù)能在適當(dāng)控制條件的情況下，通過(guò)電極催化產(chǎn)生氧化性很強(qiáng)的羥基自由基以有效降解有機(jī)物.[5-6]作為電化學(xué)處理中起關(guān)鍵作用的元件，鈦釕電極徹底改變了傳統(tǒng)的石墨與鉛合金陽(yáng)極在高電流電解時(shí)發(fā)生溶蝕、耐蝕性差及氧析出過(guò)電位大、電化學(xué)催化性能低、電力消耗大[7-8]等問(wèn)題；且有穩(wěn)定的形狀及物化性質(zhì)、較大的涂層比表面積，更適合電化學(xué)水處理. 本文以鈦釕電極為陽(yáng)極、不銹鋼鋼板為陰極處理PNP模擬廢水，研究了影響PNP處理效果的因素.

1 試驗(yàn)儀器及方法

1.1 試驗(yàn)藥品

PNP（CP，蘇州市桃源試劑廠），Na2SO4（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），NaOH（AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），濃硫酸，蒸餾水等.

1.2 試驗(yàn)儀器

GPS-4303C型多組輸出直流電源（固緯電子有限公司），755B型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司），pHS-3C型數(shù)顯酸度計(jì).

1.3 模擬廢水的配置

用分析天平稱取0.300 g的PNP固體，定容于2 000 mL容量瓶中，PNP濃度為150 mg/L，調(diào)節(jié)pH=10～11.

1.4 試驗(yàn)裝置和方法

用量筒量取400 mL模擬廢水倒入500 mL燒杯中，鈦釕電極做陽(yáng)極、鋼板做陰極，兩極板間距可調(diào)，加入一定量的Na2SO4做電解質(zhì)，于室溫下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1. 間隔一定時(shí)間取樣，每次取樣5 mL定容于250 mL容量瓶，用10%的NaOH及10%H2SO4調(diào)節(jié)pH值，靜置3～5 min后用紫外分光光度計(jì)測(cè)定水樣中PNP的濃度（以去離子水為參比，測(cè)定其吸光度）.

圖1 電化學(xué)試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外加電壓對(duì)PNP去除率的影響

PNP初始濃度150 mg/L，支持電解質(zhì)（Na2SO4）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，鈦釕電極做陽(yáng)極、鋼板為陰極，極板間距2 cm，電解時(shí)間2 h，pH=10～11，考察不同外加電壓對(duì)PNP去除率的影響，結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知：當(dāng)外加電壓從4 V上升到8 V時(shí)，同樣電解2 h，PNP的去除率從12.82%上升到47.6%；但同時(shí)，隨著電壓增大，電極表面明顯有氣泡產(chǎn)生，試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)熱明顯. 有研究表明，隨著電壓升高，雖然陽(yáng)極析出的氧增多，但其電化學(xué)氧化指數(shù)卻降低了，即電流效率降低了；[9]因此，從電解過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，在保證有機(jī)物能被充分氧化分解的前提下，選擇7 V為適宜的外加電壓.

2.2 極板間距對(duì)PNP去除率的影響

PNP進(jìn)水濃度150 mg/L，支持電解質(zhì)（Na2SO4）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，鈦釕電極做陽(yáng)極、鋼板為陰極，外加電壓7 V，電解時(shí)間2 h，pH=10～11，考察不同極板間距對(duì)PNP去除率的影響，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以看出：隨著極板間距的增大，PNP去除率逐漸下降. 這是因?yàn)闃O板間距較小時(shí)，濃差極化的影響減輕，超電勢(shì)隨之降低，電流效率提高，處理效果較好. 極板間距為1 cm時(shí)，PNP的去除率最高；電極間距≥2.5 cm時(shí)，PNP的去除率開(kāi)始大幅下降. 雖然極板間距為1 cm時(shí)PNP的去除效果比1.5～2.5 cm時(shí)好，但是過(guò)小的極板間距會(huì)使電極間溶液的流量減少、對(duì)流效應(yīng)減弱、模擬廢水溫度升高，還會(huì)使電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，并可能引起通電瞬間極間放電，降低電極的使用壽命；此外，間距過(guò)小對(duì)電極裝置的設(shè)計(jì)要求也更高. 綜合考慮以上因素，確定極間距為2 cm.

圖2 外加電壓對(duì)PNP去除率的影響

圖3 極板間距對(duì)PNP去除率的影響

2.3 電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PNP去除率的影響

PNP進(jìn)水濃度150 mg/L，鈦釕電極為陽(yáng)極、鋼板為陰極，外加電壓7 V，極板間距2 cm，電解時(shí)間2 h，pH=10～11，考察電解質(zhì)Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PNP去除率的影響，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知：開(kāi)始時(shí)隨著Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PNP去除率逐漸增大，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，PNP的去除效果最好. 這是由于電場(chǎng)強(qiáng)度保持不變，增加電解質(zhì)濃度，電流密度勢(shì)必隨之增加，用于PNP直接氧化的反應(yīng)電流也增加，因此去除率增加；但電解質(zhì)濃度也不宜過(guò)高，否則不僅增加能耗，而且會(huì)降低PNP的降解速率[10]，因此試驗(yàn)選擇適宜Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%.

2.4 pH值對(duì)PNP去除率的影響

PNP進(jìn)水濃度150 mg/L，支持電解質(zhì)NaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，鈦釕電極做陽(yáng)極、鋼板為陰極，外加電壓7 V，極板間距2 cm，電解時(shí)間2 h，考察不同pH值對(duì)PNP去除率的影響，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知：PNP的去除率在中性條件下最差，在pH=3～4和pH=10～11時(shí)都比較好，且堿性條件下的去除率比酸性條件下的又略好一些. 這主要是因?yàn)镻NP的離解（pka=7.15～7.16）與-OH存在有關(guān)，即隨著pH值的升高，液相中更多的酚以離子形式存在，在離子狀態(tài)下，酚的鄰對(duì)位電子云密度增大，有利于臭氧和羥基自由基·OH的親電進(jìn)攻，從而加速了PNP的去除速率.[11-12]由于溶液配置時(shí)采用堿液定容，因此確定最佳pH=10～11.

圖4 Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PNP去除率的影響

圖5 pH值對(duì)PNP去除率的影響

2.5 電解時(shí)間對(duì)PNP去除率的影響

PNP進(jìn)水濃度150 mg/L，支持電解質(zhì)NaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，用鈦釕電極做陽(yáng)極、鋼板為陰極，外加電壓7 V，極板間距2 cm，pH=10～11，考察不同電解時(shí)間對(duì)PNP去除率的影響，結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知：1）PNP去除率隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)（電解1 h，去除率33.39%，電解5 h，去除率89.34%）. 2）隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)，PNP的降解速率降低，濃度變化趨于平緩. 這是由于反應(yīng)初始階段，較高濃度的PNP能快速擴(kuò)散到電極表面發(fā)生反應(yīng)；但隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)，由于反應(yīng)物和中間體在電極表面的吸附使電流效率降低，同時(shí)大部分PNP結(jié)構(gòu)已被破壞，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到電極表面的PNP減少，使PNP濃度變化趨于平緩.[13]

圖6 電解時(shí)間對(duì)PNP去除率的影響

3 結(jié)論

本文以鈦釕電極為陽(yáng)極、鋼板為陰極，對(duì)PNP模擬廢水進(jìn)行了電化學(xué)處理，結(jié)果表明：在外加電壓為7 V，pH=10～11，極板間距為2 cm，支持電解質(zhì)Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的條件下，電解處理5 h，PNP的去除率可達(dá)89.3%. 用鈦基鍍層電極處理PNP模擬廢水，雖不能使PNP完全分解，但可在較溫和的電解條件下實(shí)現(xiàn)較高的去除率，且電極具有較好的耐腐蝕性和穩(wěn)定性，這為陽(yáng)極材料的選取和新的廢水處理體系拓展了思路.

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Electrochemical Treatment of p-nitrophenol-simulated Wastewater

HUANG Jing, WANG Ying-ru
(Environmental and Civil Engineering School, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

The p-nitrophenol-simulated wastewater was treated by the electrochemical method, with Ti/RuO2as anode and steel electrode as cathode. The effect factors of applied voltage, space between electrodes, concentration of electrolyte, initial pH and electrolysis time were investigated. The results showed that the removal rate of p-nitrophenol reached 89.3% after 5 h with voltage at 7 V, concentration of electrolyte at 0.5%, pH=10～11, and space between electrodes at 2 cm.

electrochemical treatment; Ti/RuO2electrodes; p-nitrophenol-simulated wastewater

O625.31；X131.2

A

1006-7302（2011）01-0029-04

2010-07-09

黃晶（1989—），女，湖北武漢人，本科生，研究方向?yàn)橛袡C(jī)污染物的電化學(xué)處理；王營(yíng)茹，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)樗廴究刂萍夹g(shù)與資源綜合利用等.