三維電極法處理模擬制藥廢水研究

陳 武，許 暢，梅 平

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

三維電極法處理模擬制藥廢水研究

陳 武，許 暢，梅 平

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

利用三維電極處理模擬鹽酸利多卡因和苯甲酸鈉制藥廢水，單因素研究表明，主電極間距、電解時(shí)間、電解電壓及處理廢水量等因素都對(duì)三維電極處理模擬制藥廢水效率有顯著影響；通過(guò)正交試驗(yàn)分別得到了三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、苯甲酸鈉廢水的最佳條件，在各自的最佳條件下，對(duì)利多卡因廢水的降解率為62.55%、CODCr去除率為63.5%，對(duì)苯甲酸鈉廢水的降解率為59.40%、CODCr去除率為61.9%，且不同降解時(shí)間2種廢水的紫外光譜發(fā)生了顯著變化；動(dòng)力學(xué)研究表明，三維電極降解利多卡因反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為二級(jí)反應(yīng)，降解苯甲酸鈉的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為三級(jí)反應(yīng)； 2種廢水按不同比例混合后，在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，混合廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉降解率分別提高到70.75%和61.65%，在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，處理效果均比單一廢水時(shí)降解率降低。

三維電極；制藥廢水；鹽酸利多卡因；苯甲酸鈉

隨著醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展，制藥廢水已成為亟待解決的問(wèn)題之一[1]。制藥工業(yè)廢水主要包括抗生素生產(chǎn)廢水、合成藥物生產(chǎn)廢水、中成藥生產(chǎn)廢水以及各類制劑生產(chǎn)過(guò)程的洗滌水和沖洗廢水4大類[2]。制藥廢水具有組成復(fù)雜、有機(jī)污染物種類多、濃度高、毒性大、色度深和含鹽量高等特點(diǎn)，體現(xiàn)在COD(化學(xué)需氧量)、BOD(生化需氧量)、SS(固體懸浮物)和TN(總氮量)高，且廢水中的菌絲體、代謝產(chǎn)物等物質(zhì)能夠抑制好氧菌的生物活性，使其難以生物降解[2]。未經(jīng)處理或處理未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)而直接進(jìn)入環(huán)境，將嚴(yán)重污染環(huán)境。因此如何處理該類廢水是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)的一個(gè)難題[3]。

電化學(xué)處理藥物廢水法是近年來(lái)逐漸熱門的處理技術(shù)，它一般無(wú)需很多化學(xué)藥品，后處理簡(jiǎn)單，占地面積小，管理方便，污泥量很少[4-5]。然而傳統(tǒng)的平板二維電極面體比較小，單位槽體處理量小，電流效率低。針對(duì)這些缺陷， Bickhurst J R提出了三維電極的概念[6]，三維電極與傳統(tǒng)的二維電極相比[7]，三維電極具有傳質(zhì)系數(shù)和電流效率高、電極比表面積大、無(wú)需加入大量導(dǎo)電電解質(zhì)、氧化降解能力強(qiáng)、能耗低、易于操作和控制、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[8]，從而使其在處理有機(jī)廢水中的研究和應(yīng)用具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。下面，筆者對(duì)三維電極法處理模擬制藥廢水進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

1)藥品 鹽酸利多卡因、重鉻酸鉀、濃硫酸、硫酸亞鐵、硫酸亞鐵銨、鄰菲羅啉、硫酸銀、硫酸汞(均為分析純)。

2)儀器 電子天平、日本島津UV-2450紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、高頻直流穩(wěn)壓電源、主電極材料、粒子電極、自制電化學(xué)反應(yīng)裝置及其他實(shí)驗(yàn)室用玻璃儀器等。

1.2 試驗(yàn)方法

1)模擬制藥廢水 用自來(lái)水分別配制2000mg/L的鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉模擬廢水為研究對(duì)象，其初始COD分別為750.0、636.0mg/L。

式中，C表示溶液中鹽酸利多卡因和苯甲酸鈉的含量;R為相關(guān)系數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程中取一定量模擬廢水用三維電極處理，取不同條件下處理后水樣，測(cè)定殘余的利多卡因、苯甲酸鈉，計(jì)算出其降解率和CODCr去除率，并以此為依據(jù)評(píng)價(jià)三維電極的水處理效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響三維電極電解效率的單因素研究

以不銹鋼做主電極，活性碳為粒子電極的三維電極電化學(xué)反應(yīng)器處理鹽酸利多卡因模擬廢水，分別研究了電解電壓、電解時(shí)間、處理廢水量、主電極間距對(duì)三維電極去除鹽酸利多卡因的影響。結(jié)果表明，主電極間距為4cm的時(shí)候，去除率最高為60.73%；電解電壓對(duì)去除率的影響呈先促進(jìn)后抑制的關(guān)系，在電壓為40V時(shí)，去除率最高為63%；廢水量對(duì)去除率的影響呈先促進(jìn)后抑制的關(guān)系，廢水量為440ml時(shí)，去除率最高為55.72%；在30～120min內(nèi)，去除率隨著時(shí)間的增加而增加。

表1 鹽酸利多卡因電解條件L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

表2 苯甲酸鈉電解條件L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 三維電極處理模擬廢水最佳條件的確定

為了得到三維電極去除廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的最佳條件，根據(jù)對(duì)影響三維電極電解鹽酸利多卡因廢水效率的單因素研究結(jié)果，確定以A(主電極間距,cm)、B(電解電壓,V)、C(廢水量,ml)、D(電解時(shí)間,min)為影響因素，設(shè)計(jì)了L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果分別如表1、表2所示。由表1可知，三維電極法降解鹽酸利多卡因最佳條件為A1B2C2D2，即板間距2cm，電解電壓40V，廢水量440ml，電解時(shí)間90min；影響最大的因素是主電極間距，其次是電解時(shí)間；在此條件下，鹽酸利多卡因的去除率為62.55%，廢水COD由初始的750.0mg/L降低到274.0mg/L，COD去除率為63.5%。由表2可知，三維電極法降解苯甲酸鈉最佳條件為A2B3C1D3，即板間距4cm，電解電壓45V，廢水量440ml，電解時(shí)間75min，影響最大的因素是主電極間距，其次是電解電壓；在此條件下，苯甲酸鈉去除率為66.07%，COD由初始的636.0mg/L降低到394.0mg/L，COD去除率為61.9%。表明三維電極去除廢水中污物的最佳條件與污物的種類與結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.3 模擬制藥廢水電解前后的光譜分析

為了弄清模擬廢水中污染物濃度和變化與污染物質(zhì)紫外吸收強(qiáng)度之間的關(guān)系，分別用三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水的最佳條件下電解處理2種模擬廢水，取原水及電解不同時(shí)間(0～210min)的樣品分別測(cè)其光譜，結(jié)果分別如圖1、圖2所示。圖1、圖2表明，模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水隨著電解時(shí)間的增加，廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的紫外吸收強(qiáng)度都下降，與前面試驗(yàn)的結(jié)果——隨電解時(shí)間增加，三維電極對(duì)廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的去除率增加是一致的，符合紫外吸收規(guī)律。

圖1 不同處理時(shí)間模擬鹽酸利多卡因廢水紫外光譜 圖2 不同處理時(shí)間模擬苯甲酸鈉廢水光譜

2.4 三維電極處理2種模擬廢水動(dòng)力學(xué)研究

為了解三維電極去除模擬廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉的速率及其規(guī)律，分別在上述得到的三維電極處理2種模擬制藥廢水的最佳條件下處理2種廢水，取不同處理時(shí)間(t)的樣品，分別測(cè)定處理后水中剩余的鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉濃度，并假設(shè)三維電極降解利多卡因、苯甲酸鈉的反應(yīng)分別為零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)反應(yīng), 將測(cè)得的剩余濃度數(shù)據(jù)處理后與處理時(shí)間擬合得到其動(dòng)力學(xué)方程, 結(jié)果如表3所示。由表3可知，三維電極降解利多卡因反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為二級(jí)反應(yīng)；三維電極降解苯甲酸鈉的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為三級(jí)反應(yīng)。表明三維電極降解同一濃度的不同污染物規(guī)律不同。說(shuō)明三維電極降解污染物的動(dòng)力學(xué)不僅與污染物的初始濃度有關(guān)[8]，而且與有機(jī)物種類有關(guān)。

表3 三維電極降解鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉動(dòng)力學(xué)分析方程

2.5 三維電極處理2種模擬混合廢水研究

為了研究三維電極處理混合制藥廢水的效率，分別在三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水、模擬苯甲酸鈉廢水的最佳條件下，利用三維電極處理按不同比例混合的模擬混合制藥廢水，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，2種模擬制藥廢水按1∶1混合時(shí)，鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉去除率分別可達(dá)到70.75%和61.65%，均比兩者單獨(dú)在各自的最佳條件下處理時(shí)的去除率高，說(shuō)明在此條件下兩者混合有利于污染組分的去除。但在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，2種模擬制藥廢水按3種比例混合時(shí)，鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉去除率均比兩者單獨(dú)在各自的最佳條件下處理時(shí)去除率低。因此，在三維電極用于實(shí)際污水處理時(shí)，還必須參照實(shí)驗(yàn)室結(jié)果探索最佳處理?xiàng)l件。

表4 2種最佳條件下處理不同比例混合廢水效果

3 結(jié) 論

1)主電極間距、接觸面積、電解時(shí)間以及電解電壓等因素都對(duì)三維電極去除模擬制藥廢水效率有顯著影響。

2)三維電極處理模擬鹽酸利多卡因廢水的最佳降解條件為：電極板間距2cm，電解電壓40V，廢水量440ml，電解時(shí)間90min，此時(shí)降解率為62.55%、CODCr去除率為63.5%；三維電極處理模擬苯甲酸鈉廢水的最佳降解條件為：電極板間距4cm，電解電壓45V，廢水量440ml，電解時(shí)間75min，此時(shí)降解率為59.40%、CODCr去除率為61.9%；不同降解時(shí)間廢水的紫外光譜發(fā)生顯著變化。

3)三維電極降解利多卡因反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為二級(jí)反應(yīng)；三維電極降解苯甲酸鈉的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)為三級(jí)反應(yīng)。

4)在三維電極處理鹽酸利多卡因的最佳條件下，按不同比例混合的廢水中鹽酸利多卡因、苯甲酸鈉降解率分別提高到70.75%和61.65%；在三維電極處理苯甲酸鈉的最佳條件下，不同比例混合廢水，處理效果均比單一廢水時(shí)降解率降低。在三維電極用于實(shí)際污水處理時(shí)，還必須參照實(shí)驗(yàn)室結(jié)果探索最佳處理?xiàng)l件。

[1]劉峰.綜合制藥廢水生物處理工程化技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[2] 王大勇，陳武，梅平. 制藥廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用化工，2011，40(12):2202-2205.

[3]李宇慶，馬楫，錢國(guó)恩.制藥廢水處理技術(shù)進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2009，29(12):5-7.

[4]張?jiān)路?電解-生化法處理制藥廢水研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[5]付國(guó)徽.Fenton-生化處理組合工藝處理制藥廢水的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[6]張杰，冉獻(xiàn)強(qiáng)，范建偉，等.三維電極法處理廢水的研究進(jìn)展[J].四川環(huán)境，2011，30(3):119-122.

[7]班福忱，劉炯天，程琳，等.三維和二維電極法催化降解苯酚廢水[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，25(1): 156-160.

[8]熊英健，范娟，朱錫海.三維電解電化學(xué)水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀及方向[J].工業(yè)水處理，1998，18(1):5-8.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.006

X703

A

1673-1409(2012)10-N015-04