三維電極法處理六硝基茋生產(chǎn)廢水

任雅琴，李 峰，李瑞博，朱曉宏

（1. 蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2. 中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

六硝基茋（HNS）是一種具有較高能量和良好爆炸性能的低感度耐熱單質(zhì)猛炸藥［1］。HNS生產(chǎn)廢水具有成分復(fù)雜、COD高、毒性大、色度高和排放量大等特點(diǎn)，是較難處理的廢水之一［2］。電化學(xué)法具有易于控制、易建立密閉循環(huán)和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)［3］，被稱為清潔處理法或環(huán)境友好技術(shù)［4］，在廢水處理領(lǐng)域越來越受到人們的重視［5-7］。三維電極法是一種新型的電化學(xué)法，它是在傳統(tǒng)二維電解電極間裝填粒狀或其他碎屑狀工作的電極材料，使其表面帶電，成為新的電極，從而大幅增加工作電極的比表面積，減小反應(yīng)物遷移的距離，提高電解效率［8-10］。該法具有電流效率高、處理效率高和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于去除廢水中的有機(jī)污染物［11-21］。

本工作以不同初始COD的HNS生產(chǎn)廢水為處理對象，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了三維電極法處理HNS生產(chǎn)廢水的工藝條件，考察了最佳工藝條件下的廢水處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

廢水為山西某火炸藥廠的HNS生產(chǎn)廢水，COD=312 000 mg/L，色度為37 500倍，pH=5。

濃硫酸（98%（w））、無水硫酸鈉、氫氧化鈉：分析純； 顆粒狀活性炭：工業(yè)級； 玻璃珠；蒸餾水。

CS型電化學(xué)工作站： 武漢科思特儀器有限公司； JB-3型定時恒溫磁力攪拌器：上海雷磁新涇儀器有限公司； PG4002-SDR型電子天平： Mettler Toledo儀器有限公司； DF-1型恒溫電加熱器：上海楚波實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用500 mL燒杯作為電解槽，陰極為Ti板，陽極為Ti/IrO2-Ta2O5電極，每塊電極尺寸均為40 mm×30 mm ×3 mm，陽極和陰極與電化學(xué)工作站相連，電極間距可調(diào)，在電解槽內(nèi)設(shè)置磁力攪拌器。將活性炭用濃硫酸和氫氧化鈉溶液清洗后，在蒸餾水中浸泡24 h后烘干。稱取一定量的活性炭置于廢水中浸泡直至其達(dá)到吸附平衡，排出廢水。

將400 mL經(jīng)稀釋的一定初始COD的廢水加入電解槽中，調(diào)節(jié)電解槽中硫酸鈉的質(zhì)量濃度，加入一定量的m（玻璃珠）∶m（活性炭）（活性炭的質(zhì)量為5.0 g），調(diào)整極板間距，在電極上施壓，進(jìn)行電解反應(yīng)，測定電解反應(yīng)后出水COD，計算COD去除率。

1.3 分析方法

采用重鉻酸鉀法測定COD［22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 極板間距對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、電解電壓8 V、電解時間4 h的條件下，極板間距對COD去除率的影響見圖1。由圖1可見，隨極板間距的增大，COD去除率逐漸降低。這是因?yàn)?，相同的電壓條件下，極板間距越小，則極板間溶液的量越少，極板間電阻越小，電容越大，電極所能提供的反應(yīng)電子數(shù)量越多，COD去除率也就越大。但極板間距太小時會導(dǎo)致電場過強(qiáng)，通電瞬間可能引起電場擊穿，降低電極的使用壽命。因此，選取極板間距為5，10，15 mm進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖1 極板間距對COD去除率的影響

2.1.2ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、電解電壓8 V、極板間距5 mm、電解時間4 h的條件下，ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響見圖2。由圖2可見：隨ρ（硫酸鈉）的增加，COD去除率逐漸提高；當(dāng)ρ（硫酸鈉）>500 mg/L時，COD去除率的增幅趨緩。綜合考慮，選取ρ（硫酸鈉）為250，375，500 mg/L進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖2 ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響

2.1.3 電解電壓對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、極板間距5 mm、電解時間4 h的條件下，電解電壓對COD去除率的影響見圖3。由圖3可見：隨電解電壓的升高，COD去除率逐漸升高；當(dāng)電解電壓高于8 V后，COD去除率的增幅減緩。這是因?yàn)?，電解電壓越高，則填充粒子被復(fù)極化的強(qiáng)度越高且數(shù)量越多，形成的微電極就越多，電解反應(yīng)面積越大，COD去除率就越高。因此，選擇電解電壓為8 V較適宜。

圖3 電解電壓對COD去除率的影響

2.1.4 電解時間對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、極板間距5 mm、電解電壓8 V的條件下，電解時間對COD去除率的影響見圖4。由圖4可見：隨電解時間的延長，COD去除率逐漸升高；電解時間超過4 h后， COD去除率的增幅趨緩。因此，選擇電解時間為4 h較適宜。

圖4 電解時間對COD去除率的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)確定三維電極電解HNS生產(chǎn)廢水工藝中初始廢水COD、ρ（硫酸鈉）、極板間距、m（玻璃珠）∶m（活性炭）4個工藝參數(shù)的最佳實(shí)驗(yàn)條件，并考察不同工藝參數(shù)對COD去除率的影響。各因素的水平已由單因素實(shí)驗(yàn)確定，而m（玻璃珠）∶m（活性炭）的水平則通過相關(guān)報道［23-24］確定為1∶1，1∶2，1∶3。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見，在選定的參數(shù)范圍內(nèi)，極板間距對COD去除率的影響最大，其次是初始廢水COD、ρ（硫酸鈉）和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。最優(yōu)方案為A1B3C3D3，即三維電極處理HNS生產(chǎn)廢水的最佳工藝條件為：極板間距5 mm，初始廢水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸鈉）=500 mg/L。在此最佳工藝條件下，廢水COD去除率為36.5%。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

a）以Ti板為陰極、Ti/IrO2-Ta2O5電極為陽極，采用三維電極法處理HNS生產(chǎn)廢水，通過單因素實(shí)驗(yàn)確定的最佳工藝條件為電解電壓8 V、電解時間4 h。

b）正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極板間距對COD去除率的影響最大，其次是初始廢水COD、硫酸鈉質(zhì)量濃度和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。優(yōu)化的工藝條件為：極板間距5 mm，初始廢水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸鈉）=500 mg/L。在此最佳工藝條件下，廢水COD去除率為36.5%。

［1］ 王建華，劉玉存，劉登程，等. HNS的臨界厚度測試研究［J］. 含能材料，2008，16（2）：146-149．

［2］ 王敏，柴濤，林凡聰，等. 六硝基茋生產(chǎn)廢水的微生物脫色實(shí)驗(yàn)研究［J］. 火工品，2010（6）：46-49．

［3］ 常凌飛，劉有智，高璩. 電化學(xué)方法處理含酚廢水的研究進(jìn)展［J］. 當(dāng)代化工，2011，40（1）：85-87．

［4］ Marco P. Electrochemical treatment of wastewater containing polyaromatic organic pollutants［J］. Water Rec，2000，34（9）：2601-2605．

［5］ Gandini D，Mahe E，Michaud P A，et al. Oxidation of carboxylic acids at borondoped diamond electrodes for wastewater treatment［J］. Appl Electrochem，2000，30（11）：1345-1350．

［6］ Ventura A，Jacquet G，Bermond A，et al. Electro chemical generation of the Fenton’s reagent：Application to atrazine radation［J］. Water Res，2002，36（2）：517-522．

［7］ Shen Z，Wang W，Jia J，et al. Catalytically assisted electrochemical oxidation of dye red B［J］. Water Environ Res，2002，74（1）：117-121．

［8］ Saracco G，Solarino L，et al. Electrochemic oxidation of organic pollutant at low electrolyte concentration［J］.Electrochem Acta，2000，46（2）：373-380．

［9］ 孫秀麗，鳳頎，張宏林. 復(fù)極性三維電極處理硝基苯廢水中各影響因子分析［J］. 遼寧化工，2006，35（3）：265-269．

［10］ Vlyssides A G，Loizidou M，et al. Electrochemical oxidation of a textile dye wastewater using a Pt/Ti electrode［J］. J Hazard Mater B，1999，70（1）：41-52.

［11］ 肖智，陸雪梅，徐炎華. 復(fù)極性三維電極法處理硝基苯廢水的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2011，5（12）：2647-2650．

［12］ Comniellis C. Anodic oxidation of phenol for waste water treatment［J］. J Appl Electrochem，2001，21（3）：703-708．

［13］ Comniellis C. Electrochemical oxidation of phenol for waste water treatment using SnO2anodes［J］. J Appl Electrochem，1993，23（1）：108-112．

［14］ Comniellis C. Anodic oxidation of phenol in the presence of NaCl for waste water treatment［J］. J Appl Electrochem，1995，25（1）：23-28．

［15］ 高建平，陳慶彩，李翔美，等. 電解法處理硝基苯廢水研究［J］. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（5）：177-178.

［16］ 王漢道，梁耀開，馮愛娟，等. 三維電極-混凝法處理酵母生產(chǎn)廢水的試驗(yàn)研究［J］. 中國給水排水，2007（4）：86-88．

［17］ 何國建，劉曉波. 三維電極法處理印染廢水［J］. 化工環(huán)保，2002，22（2）：124-127．

［18］ 郝麗，董彥莉，崔永興. 三維電極電化學(xué)法處理茜素紅模擬染料廢水的研究［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（22）：4-9．

［19］ 張鵬娟，買文寧，趙敏，等. 三維電極法深度處理維生素生產(chǎn)廢水［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2013，7（3）：897-902．

［20］ 管荷蘭，儲金宇，蔡笑笑，等. 活性炭三維電極流化床處理洗車廢水的研究［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（6）：1037-1040．

［21］ 楊瑞霞，毛存峰. 三維電極電解硝基苯廢水處理實(shí)驗(yàn)研究［J］. 油氣田環(huán)境保護(hù)，2006，16（l）：29-31.

［22］ 北京市化工研究院. GB/T11914—1989 水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989：211-213.

［23］ 李婧，柴濤. 三維電極對六硝基茋生產(chǎn)廢水的脫色實(shí)驗(yàn)研究［J］. 化工中間體，2013（l）：31-35．

［24］ 趙瑾，王靜，張雨山，等. 三維電極處理含鹽廢水的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 化學(xué)工業(yè)與工程，2011，28（4）：55-58．