凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極在苯酚廢水處理中的性質(zhì)研究

王元有，黃星雨，劉天晴

（1.揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極在苯酚廢水處理中的性質(zhì)研究

王元有1，2，黃星雨1，劉天晴1

（1.揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

研究一種對酚類廢水處理效果好、價(jià)格低廉、無二次污染且穩(wěn)定性高的電極。采用膨脹石墨粉和凹凸棒土粉為原料，制備復(fù)合材料電極。實(shí)驗(yàn)考察了電流密度、溫度、pH值等影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電流密度為10mA/cm2，溫度為25℃，pH為7的條件下，對苯酚的降解率達(dá)到90%。該復(fù)合材料電極在連續(xù)進(jìn)行半年以上電化學(xué)降解實(shí)驗(yàn)后，表面稍有腐蝕，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性及耐腐蝕性，降低了廢水處理的成本，有效提高了電極的利用率。

廢水處理；電化學(xué)；電極；凹凸棒土；膨脹石墨

有機(jī)酚類廢水在工業(yè)廢水中廣泛存在，如化工、印染、醫(yī)藥、煉油、煤氣等行業(yè)［1］，大量的排放給環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染。其中苯酚廢水的毒性非常大，它的排放抑制了水中微生物的生長，影響水的生態(tài)平衡［2－3］。況且苯酚是一種很難徹底清除的有機(jī)污染物，目前采用的生物法、吸附法、泡沫分離法、離子交換等方法，有的效果較差，有的存在二次污染［4－8］。

采用電化學(xué)方法處理有機(jī)廢水，成為處理這類工業(yè)污染物的新方向。電化學(xué)方法處理這類污染，決定性因素是電極。優(yōu)質(zhì)的陽極材料是電化學(xué)處理有機(jī)廢水的關(guān)鍵因素［9－10］。近期主要研究了鈦基系列電極，有Ti/SnO2，Ti/RuO2和摻雜金剛石電極（BDD）等。這些材料都表現(xiàn)出高的析氧電位和良好的穩(wěn)定性，但這些電極使用大多會(huì)引起二次污染并且價(jià)格昂貴，應(yīng)用受到限制［11－12］。因此電極的研究重點(diǎn)應(yīng)是無二次污染、價(jià)格低廉、導(dǎo)電性能好的電極材料。

本研究一種價(jià)格低廉、無二次污染，又能降低廢水處理成本的復(fù)合石墨材料電極。將膨脹后的石墨粉與酸化后的凹凸棒土粉混合制備復(fù)合材料電極，并利用環(huán)氧樹脂做黏合劑，有效增強(qiáng)了電極的穩(wěn)定性，避免了石墨電極易腐蝕的弊端，提高了石墨電極的使用率。通過電化學(xué)氧化和凹凸棒土的吸附作用對苯酚廢水進(jìn)行了雙重的處理，提升了苯酚廢水的降解率。

1 實(shí)驗(yàn)方法

電化學(xué)反應(yīng)裝置主要由自制電解槽（容積：5cm× 2.5cm×3cm）、雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、復(fù)合材料電極組成。

1.1 凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極的制備

取酸化后的凹凸棒土粉末和膨脹石墨粉，按前者與后者的質(zhì)量比為1∶4混合，攪拌均勻；再將混合粉、環(huán)氧樹脂、氯化銨按質(zhì)量比為2∶0.4∶0.1的比例混合攪拌，加入10mL丙酮溶解、攪拌，直到混合均勻?yàn)橹?；然后裝入內(nèi)徑為0.8cm的模具中，在140N/cm2的壓力下壓制成型，在室溫下自然固化24h后，把馬弗爐溫度調(diào)節(jié)為150℃，將壓制成的電極放入馬弗爐中4h后拿出。

1.2 電解實(shí)驗(yàn)

將自制的復(fù)合材料電極作為陽極，鐵片為陰極，Na2SO4作支持電解質(zhì)，以不同濃度的苯酚模擬苯酚廢水，磁力攪拌。在電流密度為10mA/cm2、溫度為25℃、pH為7的條件下進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)一定時(shí)間后取樣進(jìn)行分析，測處理后的苯酚去除率。

1.3 電極腐蝕程度的SEM圖

采用掃描電子顯微鏡（SEM，XL－30E，Philip公司）分別觀察復(fù)合材料電極使用前后的表面形貌，及普通石墨電極使用后的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極對苯酚的降解效果

電化學(xué)降解苯酚的實(shí)驗(yàn)中，以凹凸棒土/膨脹石墨復(fù)合材料電極為陽極，以鐵片為陰極，在電流密度為10mA/cm2、溫度為25℃、pH為7的條件下進(jìn)行電化學(xué)降解實(shí)驗(yàn)，每電解30min取樣進(jìn)行紫外分析，計(jì)算得出苯酚降解率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，在電解180min后苯酚的降解率達(dá)到90%。測得的凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極對不同質(zhì)量濃度的苯酚的降解率見圖2。由圖2可知，隨著苯酚質(zhì)量濃度的增大，苯酚的降解率變小。當(dāng)苯酚濃度為100mg/L時(shí)、反應(yīng)180min后，苯酚和COD的降解率都為90%；當(dāng)苯酚質(zhì)量濃度為500mg/L時(shí)，苯酚的降解率僅為40%。這可能是由于在處理過程中有難以處理的中間產(chǎn)物生成，高濃度時(shí)生成的中間產(chǎn)物更多，所以導(dǎo)致高濃度苯酚的降解率很低。

圖1 復(fù)合材料電極對苯酚降解率

圖2 復(fù)合材料電極對不同濃度苯酚的降解率

2.2 電流密度的影響

電流密度對苯酚和COD降解率的影響如圖3所示。由圖3可見，苯酚和COD的降解率隨電流密度的增加而增大。電流密度的提高，使電極與反應(yīng)物之間的電子傳遞速度加快，也使電極與水或其他陰離子之間的電子轉(zhuǎn)移速度加快，能夠氧化廢水中很多的有機(jī)物。本次實(shí)驗(yàn)研究中電流密度為10mA/cm2和20 mA/cm2對苯酚的降解率變化不大，本文選用電流密度為10mA/cm2進(jìn)行研究。

2.3 溫度的影響

測得的溫度對苯酚和COD降解率的影響見圖4。由圖4可以看出，溫度每升高10℃，不同電解時(shí)間下對苯酚和COD的降解率都提高了2%～4%?？梢姕囟壬呒铀倭吮椒拥碾娧趸到馑俾?。由于實(shí)際廢水處理中要考慮成本問題，所以本實(shí)驗(yàn)沒有采用過高的反應(yīng)溫度，選擇在35℃條件下進(jìn)行反應(yīng)。

2.4 pH的影響

在不同pH下，苯酚的氧化降解如圖5所示，在pH為7的溶液中苯酚和COD的降解率最大。這是由于在凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極上，活性Si—OH的數(shù)目直接影響到對有機(jī)物的吸附和對COD的降解。當(dāng)pH過高時(shí)Si—OH會(huì)降解，當(dāng)pH過低 時(shí)Si—OH會(huì)發(fā)生反應(yīng)變成Si—OH2。

圖3 電流密度對苯酚和COD降解率的影響

圖4 溫度對苯酚和COD降解率的影響

圖5 pH對苯酚和COD降解率的影響

2.5 凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料與普通石墨電極腐蝕程度的SEM圖

采用掃描電子顯微鏡，觀測了凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極降解前后的表面形貌。圖6為凹凸棒土－膨脹石墨復(fù)合材料電極與普通石墨電極進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)后的電極表面形貌的SEM圖。（a）凹凸棒土－膨脹石墨為復(fù)合材料電極連續(xù)進(jìn)行半年以上電解實(shí)驗(yàn)的電極表面形貌圖，電極表面略有腐蝕；（b）為普通石墨電極進(jìn)行1次電解實(shí)驗(yàn)后電極表面形貌圖，電極表面嚴(yán)重腐蝕。因?yàn)榘纪拱敉?膨脹石墨復(fù)合材料電極采用環(huán)氧樹脂作為黏合劑，使得電極更加的穩(wěn)定、耐腐蝕，更適用于有機(jī)廢水的電化學(xué)處理工藝。

圖6 進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)后電極表面形貌的SEM圖

3 結(jié)論

以膨脹石墨、酸化處理的凹凸棒土為原料，以環(huán)氧樹脂、固化劑、丙酮為黏合劑制備的電極是一種比普通石墨電極更牢固，更耐腐蝕的電極。實(shí)驗(yàn)考察了電流密度、溫度、pH值等影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電流密度為10mA/cm2，溫度為25℃，pH為7的條件下對苯酚的降解率達(dá)到90%。復(fù)合材料電極在連續(xù)進(jìn)行半年以上電化學(xué)降解實(shí)驗(yàn)后，表面稍有腐蝕，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性及耐腐蝕性，降低了廢水處理的成本，有效提高了電極的利用率。

（References）

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Research on properties of attapulgite－expansion graphite composite－material electrode in treatment of phenol wastewater

Wang Yuanyou1，2，Huang Xingyu1，Liu Tianqing1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225002，China；2.Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China）

This paper studied a cheap and environmental electrode with high stability and good treatment effect for phenol wastewater.It is a kind of composite－material electrode that is made of expansion graphite and attapulgite powder.The experiment investigates the stability of composite－material electrode and its ability to remove phenol.The result shows that removal rate of phenol reaches to 90%when the current density is 10mA/cm2；temperature is 25℃and pH is controlled at 7.After carrying on electrochemical degradation experiment for half a year，the surface of composite－material electrode is corroded slightly.It shows that this electrode has good stability and corrosion resistance.This method reduces the cost of wastewater treatment and improves utilization rate of the electrode.

wastewater treatment；electrochemistry；electrode；attapulgite；expansion graphite

X703.1

A

1002－4956（2014）1－0045－04

2013－06－13 修改日期：2013－09－06

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；2011年江蘇省研究生創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CXLX11－0995）階段成果

王元有（1977—），男，江蘇揚(yáng)州，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)方法處理廢水.

E－mail：wangyy＠ypi.edu.cn