C/PTFE和PbO2電極同時(shí)作用氧化降解甲基橙廢水實(shí)驗(yàn)研究

羅勝鐵，全俊愛，沈 麗

(1.唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000；2.對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100029)

1 引言

染料廢水主要來(lái)源于染料及染料中間體生產(chǎn)加工以及織物染色、印花、整理等工序，具有COD高，可生化性差；色度高，成分復(fù)雜等特點(diǎn)。其中偶氮染料是使用最多的一類，占有機(jī)染料產(chǎn)品總量的半數(shù)以上，絕大多數(shù)偶氮染料由于含有復(fù)雜的芳香基團(tuán)而難以被生物降解脫色，一直是印染廢水的處理難點(diǎn)之一。目前，染料廢水的處理技術(shù)有物化法、絮凝法、化學(xué)氧化法、生化法、光催化氧化法、電化學(xué)法等[1]。

電催化氧化法是通過(guò)電催化過(guò)程中產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的 OH 羥基自由基與有機(jī)物之間發(fā)生反應(yīng)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到去除有機(jī)物的目的，具有易建立密閉循環(huán)和無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。近年來(lái)，電催化氧化技術(shù)作為發(fā)展較快的新方法，在染料廢水處理領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)合理的電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，采用電催化氧化方法，以PbO2陽(yáng)極、炭/聚四氟乙烯(C/PTFE)氧還原陰極，在滌綸隔膜電解槽中，利用陽(yáng)極氧化和陰極還原產(chǎn)物的氧化同時(shí)作用處理甲基橙廢水并考察相應(yīng)的處理效果。

2 電極材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 電極的選擇和制備方法

電極的電催化特性是電催化技術(shù)的核心內(nèi)容，可通過(guò)變換電極基體材料和用有電催化性能的涂層對(duì)電極表面進(jìn)行修飾改性而實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)驗(yàn)選用PbO2電極為陽(yáng)極，自制C/PTFE氧還原電極為陰極，研究其對(duì)甲基橙模擬廢水的處理效果[5～7]。

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(wú)水乙醇混合，超聲攪拌20 min，使石墨和PTFE分散均勻，在恒溫水浴(60～80℃)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，將壓好的兩片碳膜附著在不銹鋼網(wǎng)上，用液壓機(jī)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。

2.2 電解體系隔膜的選擇

為避免兩極產(chǎn)物的混合，防止在電極表面或溶液中發(fā)生副反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)，從而影響產(chǎn)物純度、收率和電流效率，甚至發(fā)生危及安全的事故,綜合考慮采用滌綸隔膜來(lái)分隔陽(yáng)極和陰極區(qū)[8～10]。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1所示。自制有機(jī)玻璃電解槽(60 mm×45 mm×80 mm)，有效容積為130 mL，陰陽(yáng)極室體積比為1∶1。采用PbO2電極為陽(yáng)極，自制的C/PTFE氣體擴(kuò)散電極為陰極，極間距為0.5 cm，陽(yáng)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。壓縮空氣通過(guò)槽體底部的多孔板向反應(yīng)器內(nèi)曝氣[5]。

圖1 電解實(shí)驗(yàn)裝置示意

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用陰、陽(yáng)極同時(shí)作用處理濃度100 mg/L的甲基橙模擬廢水。電解質(zhì)Na2SO4濃度為0.02 mol/L，用0.5 mol/L的H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，在一定的條件下進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD計(jì)算去除率，采用分光光度法在470 nm測(cè)定甲基橙模擬廢水的吸光度并計(jì)算其脫色率，試驗(yàn)中采用PHS-3C測(cè)定儀測(cè)定溶液pH值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 陰陽(yáng)極同時(shí)作用氧化降解甲基橙影響因素的研究

3.1.1 曝氣量對(duì)甲基橙脫色效果的影響

在電流密度30 mA/cm2，陰、陽(yáng)極室內(nèi)甲基橙脫色率隨曝氣量的變化情況見圖2、圖3。

圖2 曝氣量對(duì)陰極室甲基橙脫色的影響

圖3 曝氣量對(duì)陽(yáng)極室甲基橙脫色的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，較高的曝氣量和較低的曝氣量對(duì)廢水脫色的效果均不是太好，說(shuō)明曝氣時(shí)對(duì)電極表面的供氧量直接影響了陰極室內(nèi)氧化劑的生成和對(duì)廢水的氧化作用。

對(duì)于陽(yáng)極室內(nèi)甲基橙脫色率受曝氣量影響明顯小于陰極室，依據(jù)脫色效果，結(jié)合上述對(duì)陰、陽(yáng)極室脫色率的分析，選用曝氣量為1.2 L/min。

在此條件下，陽(yáng)極室、陰極室甲基橙模擬廢水在電解80 min時(shí)脫色率均可達(dá)到90%以上。

3.1.2 電流密度對(duì)廢水脫色效果的影響

選用曝氣量為1.2 L/min,考察不同電流密度對(duì)廢水處理效果的影響，結(jié)果見圖4、圖5。

陰極室內(nèi)脫色效率基本與電流密度呈現(xiàn)正相關(guān)，即隨著電流密度增加，脫色率效果越好。

陽(yáng)極室內(nèi)廢水脫色效率與電流密度的關(guān)系較陰極室為緩和，脫色率的變化比較平緩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同時(shí)間內(nèi)，電流密度增加，提高了電極反應(yīng)速率，廢水脫色效果越好，且廢水脫色率隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸提高，同時(shí)由于水里有機(jī)物濃度的下降使脫色率趨向穩(wěn)定。但電流密度過(guò)大將降低電流效率，綜合考慮，實(shí)驗(yàn)中選取電流密度30 mA/cm2。

圖4 電流密度對(duì)陰極室甲基橙脫色的影響

圖5 電流密度對(duì)陽(yáng)極室甲基橙脫色的影響

3.1.3 初始pH值對(duì)廢水脫色效果的影響

調(diào)節(jié)甲基橙模擬廢水的初始pH值，研究初始pH值對(duì)甲基橙脫色效果的影響，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 初始pH值對(duì)陰極室甲基橙脫色的影響

圖7 初始pH對(duì)陽(yáng)極室甲基橙脫色的影響

由圖6、圖7可以看出，pH對(duì)陰極室電化學(xué)氧化甲基橙的脫色效果有一定的影響且影響程度大于陽(yáng)極室，但pH值在2～10之間區(qū)別不太明顯，對(duì)甲基橙脫色效果差異不大。脫色率在80 min后趨于穩(wěn)定。其中，pH值為13時(shí)的堿性條件下，由于電催化產(chǎn)生的H2O2容易分解從而導(dǎo)致了脫色效果較差。

3.2 甲基橙廢水COD去除率隨時(shí)間的變化

在曝氣量為1.2L/min，電流密度30 mA/cm2，pH值為7的條件下，考察甲基橙模擬廢水COD去除率隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖8。

圖8 甲基橙模擬廢水COD去除率隨時(shí)間的變化

由圖8可知，甲基橙廢水經(jīng)陰、陽(yáng)極電催化氧化作用降解程度較大，COD去除率隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，相同時(shí)間，電流密度越高，脫色效果越好。

4 結(jié)論

(1)在滌綸隔膜電解體系中，陰、陽(yáng)極室同時(shí)作用催化氧化降解甲基橙模擬廢水取得了較好的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)钠貧饬坑欣诩谆鹊慕到猓患谆鹊拿撋屎虲OD去除率隨電流密度增加而升高，初始pH在2～10之間范圍內(nèi)對(duì)甲基橙的脫色效果影響不明顯。

在pH值為7，曝氣量1.2 L/min，電流密度30 mA/cm2的條件下，反應(yīng)時(shí)間80 min，甲基橙廢水脫色率可達(dá)到90%以上，且脫色效果陽(yáng)極室好于陰極室，COD去除率可達(dá)到85%以上，COD去除效果陰極室好于陽(yáng)極室。

(2)通過(guò)電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、陰極材料的研制與優(yōu)選，可實(shí)現(xiàn)利用電催化活性的PbO2陽(yáng)極的氧化作用和C/PTFE氧陰極還原產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑H2O2共同降解水中的有機(jī)污染物，提高了降解有機(jī)污染物的電流效率、降低能耗。無(wú)需另外加入其他氧化劑，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

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