韓冬妮
(江蘇誠智工程設計咨詢有限公司 江蘇徐州 221018)
填充床電極反應器(Packed-bed Electrode Reactor,PBER,俗稱三維電極)的出現統(tǒng)一解決了傳統(tǒng)反應器存在的反應面積和傳質距離所引發(fā)的問題,可強化該反應器的電催化氧化效果。
通過實驗結果并考慮所選擇材料工程可行性確定了PBER的最優(yōu)構型,即IrO2-Ta2O5/Ti陽極和AC填料,并對反應器操作條件中的進水流速進行了優(yōu)化分析,以提高難降解有機廢水處理效果。
廢水的流速直接決定廢水在反應器中的停留反應時間,流速越小,反應時間越長,有機物可以得到更為徹底的氧化。但對于反應后期較低濃度的廢水,一味延長停留時間,會增加副反應的發(fā)生,導致電流效率和能耗的下降。增加流速在一定程度上可以增加液相的湍流,從而強化傳質過程。而且快速運動的液流有可能把副反應產生的氣泡帶出床層,避免其在金屬極板及填料表面累積成大氣泡,減少反應面積。
在電流密度80A/m2、3%(質量濃度,w/w)Na2SO4、原水苯酚濃度600mg/L的條件下,改變進水流速進行實驗。
比較不同流速的出水處理情況可得,當流速在適宜的范圍內,有機物去除率相差不大,與流速基本無關。尤其是在t<1.68h時,0.6L/h和0.8L/h的出水COD去除率基本一致。這可能由于適宜流速下,有機物氧化進程處于反應控制狀態(tài),所施加的電流均用于降解污染物,使得有機物去除量保持為定值。但當流速超出范圍,如為1.1L/h時,有機物去除率表現為大幅度下降,雖然按照理論分析,反應進程仍應處于反應控制狀態(tài),但由于過大的流速可能使得有機物無法在短時間內固著在填料上,而很難發(fā)揮填料拓展陽極的作用,污染物將會隨出水流出反應器,致使處理效果下降。
苯酚的去除率變化與COD去除率變化趨勢相同,對比可以看出,在1.68h之前,流速0.6L/h的苯酚去除率均高于流速為0.8L/h的苯酚去除率,兩者的COD去除率是基本相同的。大分子苯酚在電催化氧化過程中被降解為苯醌、乙二酸等小分子,再被降解為二氧化碳和水,從而完成COD的去除。出現上述現象,是因為在填充床電極反應器的床層中小分子的轉移更容易發(fā)生。流速為0.8L/h時,苯酚降解生成的小分子在高流速下迅速轉移到反應界面被降解,而苯酚本身并不能快速完成遷移。
各個時段的平均電流密度及能耗如圖1-1所示,隨著反應的進行,反應進入復相及擴散控制狀態(tài),副反應的發(fā)生使平均電流效率呈下降趨勢。不同流速之間的ACE對比發(fā)現,流速為0.6L/h時電流效率較低,流速1.1L/h反應后期ACE均略高于流速0.8L/h的。雖然流速較低時廢水的處理效果好,但電流利用率低,存在較大的能量浪費。且三種流速下的ACE變化趨勢均較為相似,并且與圖1-1中電流密度為100A/m2的ACE變化曲線相似。這說明ACE的變化趨勢與電流密度相關,而與流速的變化關系不大。而且,能耗隨著反應時間的增加而逐漸提高,不同流速下電催化氧化過程的能耗變化趨勢相同。流速增加反應所需的能耗隨之降低,但流速增加到某定值后繼續(xù)增加,處理成本將會提高;如流速1.1L/h的能耗高于流速0.8L/h的能耗??芍?,電流密度恒定之后,流速對能耗的影響小于電流密度,三種流速下處理廢水4h的能耗均低于65kW·h/kgCOD,且相差不大。
圖1 流速對電流效率、能耗的影響
綜上可以看出,在進水流速為0.6L/h時,獲得了最高的苯酚及COD去除率,且其能耗和電流效率均與高流速下相差不大,故本實驗綜合考慮電催化氧化效果,電流效果和能耗確定最佳的進水流速為0.6L/h。