三維電極體系中粒子間的相互影響

湯亞飛，尹 蕾*，鮑仁冬，蔡俊雄

(1．武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢430074；2．中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院，湖北 武漢430081；3．湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北 武漢430072)

0 引 言

三維電極在廢水處理效率及效果研究方面前人已做了很多工作.與二維電極相比，三維電極電流效率高、處理效果好[1]，已應(yīng)用于酚水預(yù)處理[2-4]、染料紡織廢水[5-7]等難處理有機(jī)廢水中.三維電極在宏觀上關(guān)于廢水處理的報(bào)道很多[8-10]，但是對(duì)于粒子實(shí)際的工作狀態(tài)、工作機(jī)理等微觀方面的研究報(bào)道則相對(duì)較少.周定等[11]提出了復(fù)極性三維電極體系的電流模型，認(rèn)為三維電極體系中在主極板電極產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，充填粒子之間為串聯(lián)關(guān)系，充填粒子群猶如無(wú)數(shù)個(gè)電解槽串聯(lián)后發(fā)生反應(yīng)，使其處理效率成倍提高，首次提出可用模擬粒子測(cè)定粒子電流的方法，但未報(bào)道測(cè)量結(jié)果.羅劼[12]、鮑仁冬等[13]用兩塊小鈦電極模擬粒子電極，測(cè)定了模擬粒子電流，研究了三維電極粒子電流的測(cè)定方法及填充粒子的工作機(jī)理.

目前關(guān)于三維電極粒子工作狀態(tài)的研究?jī)H僅停留在單個(gè)粒子電極上，為了使研究中的粒子狀態(tài)更加接近實(shí)際體系，本文采用多個(gè)模擬粒子電極研究粒子間的相互影響，初步探討工作機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

本文中實(shí)驗(yàn)裝置及模擬粒子的制作與文獻(xiàn)[12、13]相同，其中電解槽的尺寸為17.5 cm ×8.5 cm ×9 cm，主極板的尺寸為16.5 cm ×8.3 cm，電解槽裝置如圖1所示，多個(gè)粒子在電解槽主極板垂直方向上以串聯(lián)方式放置，模擬粒子的固定如圖2所示.通過(guò)控制模擬粒子兩極板間距來(lái)改變粒子大小，電解質(zhì)溶液采用0.01 mol/L的硫酸鈉溶液，采用VC97數(shù)字式測(cè)定儀來(lái)測(cè)定粒子電流及虛擬槽電壓.模擬粒子在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，其兩端電勢(shì)差為其電解提供動(dòng)力，該動(dòng)力即為該模擬電解槽的虛擬槽電壓.虛擬電解槽在發(fā)生電解反應(yīng)，內(nèi)部產(chǎn)生電荷移動(dòng)形成電流，即粒子電流.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup

2 結(jié)果及討論

2.1 粒子數(shù)量的影響

固定粒子大小為1 cm，分別進(jìn)行1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同主極板電壓時(shí)的粒子電流和兩端的虛擬槽電壓，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4.

圖2 模擬粒子實(shí)物圖Fig.2 Physical map of the simulated particle electrode and electrolytic cell

圖3 粒子電流與主極板電壓關(guān)系Fig.3 The particle current and the main plate voltage

圖4 粒子兩端虛擬槽電壓與主極板電壓關(guān)系Fig.4 The virtual cell voltage across the particles and the voltage between the main plate

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到：在控制主極板電壓不變的情況下，①加入第2個(gè)粒子時(shí)，粒子1表面的氣泡明顯減少，此時(shí)粒子2表面氣泡較多，反應(yīng)較激烈.②在加入第3個(gè)粒子時(shí)，粒子1、粒子2表面氣泡都減小，粒子3表面有較少氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)相對(duì)較弱.

由圖3、圖4可知，在主極板電壓相同時(shí)，隨模擬粒子數(shù)量的增加，粒子的電流和兩端虛擬槽電壓明顯減小，說(shuō)明粒子之間相互影響較大.粒子的加入改變了溶液中的電位分布，使得粒子兩端電勢(shì)差降低，粒子電流也隨之而減小，充填粒子間存在一定的負(fù)影響關(guān)系.

2.2 粒子大小的影響

實(shí)驗(yàn)采用3種粒子組合：1 cm +1 cm粒子,1 cm+2 cm粒子，1+3 cm粒子.測(cè)定1 cm粒子的電流和兩端的虛擬槽電壓，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6.

圖5 1 cm粒子電流與主極板電壓關(guān)系Fig.5 The current of 1 cm particle and the main plate voltage

圖6 1 cm粒子兩端虛擬槽電壓與主極板電壓關(guān)系Fig.6 The cell voltage across 1 cm particle and the main plate voltage

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到：在主極板電壓相同的條件下，①隨著與1 cm粒子串聯(lián)放置的粒子粒徑的增大，1 cm粒子表面產(chǎn)生的氣泡越少，反應(yīng)相對(duì)減弱.②且根據(jù)觀察，粒徑越大的粒子，表明產(chǎn)生的氣泡越多，反應(yīng)越激烈.

模擬粒子在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，其兩端電勢(shì)差為其電解提供動(dòng)力，該動(dòng)力即為該模擬電解槽的虛擬槽電壓.由圖6可以清晰地看出，主極板電壓相同時(shí)，充填粒子的加入會(huì)減弱原模擬粒子的電化學(xué)反應(yīng)速率，且加入的粒子越大，對(duì)原粒子的影響越大.

2.3 粒子電流相互關(guān)系

實(shí)驗(yàn)采用3種粒子組合：1 cm粒子+1～3 cm粒子，測(cè)定不同組合中每個(gè)粒子的粒子電流及兩端虛擬槽電壓，結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8.

由圖分析可知，不同大小的粒子串聯(lián)加入電解槽裝置中時(shí)，各粒子電流并非等效串聯(lián)關(guān)系.在同一主極板電壓下，隨著粒子粒徑的增大，粒子兩端虛擬槽電壓隨之增大，粒子電流也增大.粒子數(shù)量、大小均會(huì)對(duì)粒子電流產(chǎn)生一定的影響，綜合這些因素可得出結(jié)論，在電化學(xué)反應(yīng)器中充填粒子

圖7 各粒子電流與主極板電壓關(guān)系Fig.7 The current of particles and the main plate voltage

圖8 各粒子兩端虛擬槽電壓與主極板電壓關(guān)系Fig.8 The virtual cell voltage across the particles and the voltage between the main plate

必定存在著一個(gè)最佳比例.眾多文獻(xiàn)研究結(jié)果表明[14-16]，在電化學(xué)處理廢水時(shí)，充填粒子量相比電化學(xué)反應(yīng)器體積而言確實(shí)存在一定的最佳比例，在最佳比例下，廢水處理效率最高.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.在三維電極體系中，粒子間相互影響，隨著數(shù)量的增加和粒徑增大，粒子兩端虛擬槽電壓降低，粒子電流減小.

b.在同一體系中，大小不同的粒子串聯(lián)放置于電解槽裝置中時(shí)，充填粒子電流間并非等效串聯(lián)的關(guān)系.

c.在電化學(xué)反應(yīng)器中，粒子之間受數(shù)量、大小、間距等影響明顯，從理論的角度分析粒子充填量應(yīng)存在一個(gè)最佳填充比.

致 謝

感謝湖北省科技廳對(duì)本研究的資金資助！

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