有/無隔膜體系電化學法降解甲基橙對比試驗

金 秋， 戴美月， 鄭雪婷， 劉世桐

(1.沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.沈陽市生態(tài)環(huán)境局和平分局， 遼寧 沈陽 110000 )

印染廢水成分復雜，色度高且生化性很差，必須經(jīng)過有效處理才可排入自然水體，否則會對水體環(huán)境造成嚴重威脅[1-3]。電化學技術具有操作簡單、處理過程清潔等特點，在污水處理領域受到了越來越多的關注[4]。鈦基DSA電極具有優(yōu)良的電催化活性，氧化物涂層壽命長且耐腐蝕。常常將DSA作為陽極材料，利用電解生成的強氧化性自由基有效降解有機污染物[5-6]。然而陰極還原反應產(chǎn)生的電解產(chǎn)物與陽極不同，并不能生成足夠的具有強氧化性的自由基，因此降解效率低于陽極[7]。筆者以甲基橙為目標污染物，在自制的電化學反應器中設置滌綸729隔膜裝置，選用鈦基釕銥涂層電極作為陽極、鈦板作為陰極，研究對比了電化學陰極還原和陽極氧化共同作用下的降解效果。

1 試驗部分

試驗采用自制的電化學反應器，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Sketch of test device

在自制的電化學反應器中進行試驗，選取RuO2-IrO2/Ti陽極為極板，催化活性耐電接觸摩擦，陰極為鈦板，反應器中間固定滌綸729隔膜。將模擬甲基橙廢水投入反應器中，然后加入一定量電解質(zhì)和酸堿試劑。對甲基橙廢水每10 min進行間隔陰、陽極室分別取樣，試驗共進行60 min。采用4-氨基安替比林直接光度法測定甲基橙。

2 結果與討論

2.1 對甲基橙的去除效果

2.1.1甲基橙脫色率

從表1和圖2可以看出，反應60 min時隔膜體系對甲基橙的平均去除率達到94.91%，而無隔膜體系為75.21%。隔膜體系對甲基橙的脫色率大于無隔膜體系，說明隔膜體系對甲基橙的破壞能力更強，優(yōu)勢明顯。

表1 隔膜體系對甲基橙廢水的脫色率Tab.1 Decolorization rate of methyl orange by the diaphragm system %

圖2 有/無隔膜體系對甲基橙的脫色率Fig.2 Decolorization of methyl orange by system with or without diaphragm

2.1.2COD去除率

隨著電解時間的延長，COD去除率逐漸升高。電解60 min后，隔膜體系內(nèi)COD平均去除率為73.08%，優(yōu)于無隔膜體系的60.00%，見表2和圖3。

表2 隔膜體系對COD的去除率Tab.2 Removal rate of methyl orange by the diaphragm system %

圖3 有/無隔膜體系的COD去除率Fig.3 Removal rate of COD by system with or without diaphragm

2.2 電化學能耗分析

2.2.1無隔膜體系的能耗方程

無隔膜體系內(nèi)在不同電壓下的電流值和陰、陽極室內(nèi)染料的脫色率見表3。

無隔膜體系中，擬合數(shù)據(jù)得到電壓與電流以及脫色率之間的關系曲線[8-9]分別為：I=0.033U+0.02，R2=0.997 3；E=0.916U+53.874，R2= 0.990 1。

通過換算得到：

表3 無隔膜體系中不同電壓所對應的電流值和脫色率Tab.3 The current and decolorization rate under different voltages in system without diaphragm %

U=1.080 9E-58.174

(1)

I=0.035 7E-1.899 7

(2)

反應體系消耗電能的計算公式為：

W=UIt

(3)

將式(1)、式(2)代入能耗公式，得到無隔膜電化學體系能耗與脫色率的關系式：

W=(0.038 6E2-4.13E+110.51)t

(4)

2.2.2隔膜體系的能耗方程

隔膜體系內(nèi)，不同電壓下的電流和陰、陽極室內(nèi)染料的脫色率見表4。

表4 隔膜體系中不同電壓所對應的電流和脫色率Tab.4 The current and decolorization rate under different voltages in the diaphragm system

采用相同的方法，擬合得到隔膜體系中陰極室內(nèi)電壓和電流、脫色率的關系分別為：I=0.053U+0.01，R2=0.993 0；E=2.251 5U+50.403，R2=0.999 9。最終得到陰極室內(nèi)能耗與脫色率的關系式為：

W1=(0.011E2-1.07E+26.64)t

(5)

陽極室內(nèi)電壓和脫色率的關系如下：E=2.587 5U+65.929，R2=0.995 3。能耗與脫色率的關系式為：

W2=(0.008E2-1.01E+33.63)t

(6)

2.2.3電化學法能耗對比

建立有/無隔膜體系電化學法的數(shù)學能耗模型，從能耗的角度對比兩者的差異。兩個體系的反應時間相同，可以假設反應時間t為常數(shù)[10-11]。無隔膜體系的能耗公式可簡化為：W=0.038E2-4.13E+110.51；隔膜體系的陰極能耗公式可簡化為：陰極，W1=0.011E2-1.07E+26.64；陽極，W2=0.008E2-1.01E+33.63。

以染料的脫色率為自變量，所對應的W/W1、W2和W1/W、W2/W值如表5和圖4所示。

表5 有/無隔膜體系脫色率與能耗的關系Tab.5 The relationship between the rate of decolorization and energy consumption of system with or without diaphragm

圖4 有/無隔膜體系的能耗對比Fig.4 Comparison of energy consumption between system with or without diaphragm

由圖4可以看出，隔膜體系和無隔膜體系的能耗都呈現(xiàn)隨脫色率的增大先降低后升高的規(guī)律，無隔膜體系在脫色率為50%時的能耗最低，隔膜體系在脫色率為60%時的陰、陽極能耗均最低。只有在脫色率為50%和60%時，無隔膜體系的能耗低于隔膜體系能耗，但差別不大。在脫色率為90%時，W1/W為0.38，W2/W為0.16，說明隔膜體系具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，更適用于對染料廢水的處理，且陽極的能耗低于比陰極。

3 結論

① 在相同條件下，隔膜體系電化學氧化法對甲基橙的的有更好的降解效果，平均脫色率為94.91%，COD平均去除率為73.08%。無隔膜體系對甲基橙的脫色率為75.21%，COD去除率為60%。

② 隔膜體系電化學氧化法的能耗低于無隔膜電化學氧化法，在脫色率為90%時，隔膜體系中陰極室的能耗僅為無隔膜體系的38%，陽極室的能耗僅為無隔膜體系的16%。說明采用隔膜體系電化學氧化法降解染料廢水的效果較好，能耗較低，適宜實際應用。