電催化氧化降解含酚工業(yè)廢水實驗研究

羅勝鐵，沈 麗

（唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山063000）

含酚廢水主要來自焦化廠、煤氣廠、石油化工廠等工業(yè)部門，以及石油裂解制乙烯、合成苯酚、聚酰胺纖維、有機農(nóng)藥和酚醛樹脂等生產(chǎn)過程。酚類化合物是我國優(yōu)先監(jiān)測的持久性有機物，已經(jīng)被列入具有致癌性單環(huán)芳烴之列。

目前，含酚廢水的處理技術(shù)有生物法、物理法和化學(xué)法。含酚廢水處理技術(shù)的選擇取決于含酚廢水中的酚濃度、COD值及其他因素如處理費用等［1－3］。電化學(xué)法是近年來發(fā)展起來的一種高效的水處理新方法。其特點是在同一水處理設(shè)施中可能同時完成電凝聚、電氣浮、電吸附、電催化氧化和還原等多種凈化過程，具有效率高、用地省、產(chǎn)生污泥少、便于控制等優(yōu)點，因此引起了廣大水處理工作者的關(guān)注［4－7］，此方法為污水資源化提供了一條新思路。本實驗擬通過電催化氧化技術(shù)對含酚工業(yè)廢水進行處理，考察廢水中COD的去除效果。

1 電極材料與實驗方法

1．1 廢水水質(zhì)

實驗用含酚廢水取自唐山市某焦化廠，廢水COD約為1 400 mg／L。

1．2 電極的選擇和制備方法

電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟”的地位，電極的電催化特性是電催化技術(shù)的核心內(nèi)容，提高電極的特性即希望電極對目標有機物表現(xiàn)出高的反應(yīng)速率，并且有好的選擇性。電極材料的性質(zhì)是決定電極催化特性的關(guān)鍵因素，不同的電極材料會使反應(yīng)速度發(fā)生數(shù)量級的變化。改變電極材料的性質(zhì)，可以通過變換電極基體材料來實現(xiàn)，也可以用有電催化性能的涂層對電極表面進行修飾改性來實現(xiàn)［8－9］。

本實驗選用PbO2電極為陽極，自制C／PTFE氧還原電極為陰極，研究其對含酚廢水的處理性能。

C／PTFE氧還原陰極的制備方法如下：將一定質(zhì)量的石墨粉和聚四氟乙烯乳液（PTFE）用無水乙醇混合，超聲攪拌20 min，使石墨和PTFE分散均勻，然后在恒溫水?。?0～80℃）中不斷攪拌，直至混合成凝聚膏體，將凝膏體輥壓制成厚約0．2 mm的碳膜，再將壓好的兩片碳膜附著在不銹鋼網(wǎng)上，用液壓機將碳膜和不銹鋼網(wǎng)復(fù)合好，將復(fù)合好的電極用蒸餾水煮沸0．5 h，然后在90℃干燥2 h備用。

1．3 電解體系隔膜的選擇

多數(shù)電化學(xué)反應(yīng)器都使用隔膜來分隔陽極和陰極區(qū)間，防止兩極產(chǎn)物混合，以及在電極表面或溶液中發(fā)生副反應(yīng)或次級反應(yīng)，避免影響產(chǎn)物純度、收率和電流效率，甚至造成危及安全的事故。本實驗選用隔膜電解體系是基于如下兩點考慮：

（1）根據(jù)陰、陽極氧化機理，陰、陽極分隔開后，陽極呈強酸性，陰極呈強堿性，從而使溶液中離子總數(shù)增多，導(dǎo)電能力增強，減少了電解質(zhì)的投加量，同時創(chuàng)造有利于有機物降解的反應(yīng)條件。

（2）應(yīng)用隔膜分開陰、陽極后，可以通過分析陰、陽極反應(yīng)液探討其反應(yīng)機理。

本實驗綜合考慮了常用的幾類隔膜如石棉隔膜、陶瓷隔膜、離子交換膜、滌綸、棉布等的特點，最終采用價廉的滌綸濾膜作為電解體系的隔膜。

1．4 實驗方法

實驗采用陰、陽極同時作用降解含酚工業(yè)廢水，測定COD的去除率。COD檢測方法采用重鉻酸鉀法。

1．5 實驗裝置

實驗裝置見圖1所示。自制有機玻璃電解槽（60 mm×45 mm×80 mm），有效容積為130 mL，陰陽極室體積比為1∶1。采用PbO2電極為陽極，自制的C／PTFE氧還原電極為陰極，極間距為0．5 cm，陽極和陰極的有效面積均為34 cm2，在電解槽內(nèi)放置滌綸濾膜。

圖1 電解實驗裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2．1 最佳反應(yīng)時間的確定

在電流密度30 m A／cm2下，在陰、陽極室曝氣量為1．8 L／min條件下，考察含酚廢水COD去除率隨反應(yīng)時間的變化情況，如圖2所示。

由圖2可知，含酚廢水經(jīng)陰、陽極電催化氧化作用降解程度較大，COD去除率隨電解時間的延長逐漸升高，陰極室在80 min時COD去除率達到80%以上。在80 min以后，COD去除率變化趨于平緩。因此確定最佳反應(yīng)時間為80 min。

2．2 曝氣量影響

在電流密度30 m A／cm2，反應(yīng)時間80 min條件下，考察曝氣量對含酚廢水COD去除率的影響。如圖3所示。

圖2 反應(yīng)時間對含酚廢水COD去除率的影響

圖3 曝氣量對含酚廢水COD去除率的影響

由圖3可知，含酚廢水在曝氣量為1．2 L／min的條件下，COD去除率達到最大。同時陰極室中COD去除率效果明顯高于陽極室。分析其原因是由于陰極室在堿性條件下H2O2能進一步產(chǎn)生HO·和O2·自由基，它們對有機物氧化能力要高于陽極室直接和間接的氧化能力。

2．3 電流密度影響

在曝氣量為1．2 L／min，反應(yīng)時間為80 min條件下，考察電流密度大小對含酚廢水COD去除率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 電流密度對含酚廢水COD去除率的影響

由圖4可看出，陰、陽極室COD去除率隨電流密度的升高而增加，且隨著電流密度增加，COD去除率變化趨于平緩。電流密度升高，意味著電子傳遞速度增加，從而提高了電極反應(yīng)速率，所以COD去除率得到提高；而電流密度過大將降低電流效率，電流密度過小又影響自由基的生成速率和COD的降解速率，所以實驗中合適的電流密度為30 mA／cm2。

3 結(jié)論

（1）在滌綸隔膜電解體系中，陰、陽極室同時電催化氧化降解含酚工業(yè)廢水取得了較好的效果。COD去除率隨電流密度增加而升高，在反應(yīng)時間80 min，曝氣量1．2 L／min，電流密度30 m A／cm2的最佳條件下，含酚廢水COD去除率可達到80%，COD去除率陰極室較好于陽極室。

（2）利用氧陰極還原生成強氧化劑H2O2，可以氧化降解廢水中的有機污染物，不需要另外加入其他氧化劑，不產(chǎn)生二次污染。

（3）通過電催化反應(yīng)器設(shè)計、陰極材料的研制與優(yōu)選，可以實現(xiàn)利用電催化活性的PbO2陽極的氧化作用和氧陰極還原產(chǎn)生的氧化劑的強氧化性共同降解廢水中的有機污染物，從而提高降解有機污染物的電流效率，降低能耗。

［1］ 劉江永．工業(yè)含酚廢水處理的研究進展［J］．河南化工，

（2）利用氧陰極還原生成強氧化劑H2O2，可以氧化降解廢水中的有機污染物，不需要另外加入其他氧化劑，不產(chǎn)生二次污染。

（3）通過電催化反應(yīng)器設(shè)計、陰極材料的研制與優(yōu)選，可以實現(xiàn)利用電催化活性的PbO2陽極的氧化作用和氧陰極還原產(chǎn)生的氧化劑的強氧化性共同降解廢水中的有機污染物，從而提高降解有機污染物的電流效率，降低能耗。

參考文獻：

［1］ 劉江永．工業(yè)含酚廢水處理的研究進展［J］．河南化工，2010，27（2）：25－31．

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