活性炭三維電極法處理低濃度苯乙烯廢氣

陳 江 湯宗禮章亞芬

（1浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江杭州 311231 2浙江工商大學(xué)環(huán)境學(xué)院 浙江杭州 310018）

引言

苯乙烯是工業(yè)上用于生產(chǎn)聚合物、共聚物和增強(qiáng)塑料的重要有機(jī)溶劑，對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康等都存在著巨大的安全隱患[1]。目前主要有催化燃燒法、吸附法、噴淋吸收法等處理方法[2]，但是往往存在降解效率低、能耗高、二次污染等缺點(diǎn)。

三維電極電化學(xué)反應(yīng)器具有很大的比表面積，反應(yīng)速度快[3]，時(shí)空轉(zhuǎn)換效率高，容易控制[4]。本實(shí)驗(yàn)提出通過反應(yīng)器處理苯乙烯廢氣，將有機(jī)氣態(tài)污染物的溶解和去除進(jìn)行統(tǒng)一處理，研究電化學(xué)反應(yīng)器處理有機(jī)廢氣的效果。

1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)裝置見下圖，苯乙烯廢氣采用純化學(xué)試劑和氮?dú)饣旌线M(jìn)行模擬。鋼瓶2中的氮?dú)庖砸欢髁窟M(jìn)入苯乙烯原料槽，將蒸氣帶出，使用蠕動(dòng)泵5控制氣體流量，傳遞量為0.05ml/min；鋼瓶1中的氧氣由流量計(jì)3控制。廢氣從反應(yīng)器底部導(dǎo)入，經(jīng)過反應(yīng)器排出，實(shí)驗(yàn)使用FTIR紅外光譜儀在線檢測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

反應(yīng)器為玻璃柱狀結(jié)構(gòu)，尺寸為80mm×80mm×600mm，主要有電解槽、布?xì)馄?、流化床、電極板等。流化床中使用多塊網(wǎng)格狀電極，不銹鋼網(wǎng)是陰極，陽極是鈦基氧化釕涂層[5]，板間距70mm，電解質(zhì)為氯化鈉，內(nèi)部填充直徑5mm[6]的活性炭顆粒作為粒子電極。實(shí)驗(yàn)分析儀器是370DTGS紅外氣相色譜儀、GC-2014氣相色譜。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 活性炭吸附效果與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系

調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?000ml/min，進(jìn)氣濃度約為100ppm，在通電與不通電情況下取樣，分別考察2組活性炭吸附效果與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系。

圖2 活性炭吸附時(shí)間變化曲線圖

由圖中可見，溶液中的活性炭在流化狀態(tài)下會(huì)吸附混合廢氣中的部分苯乙烯，但飽和時(shí)間約需3小時(shí)。反應(yīng)器內(nèi)有活性炭參與，活性炭在電解池中感應(yīng)成為復(fù)極性微電極，相鄰的復(fù)極性單元之間的陽極與陰極間距很小，反應(yīng)物需要遷移的距離明顯降低，即反應(yīng)物遷移到電極表面的速率加強(qiáng)，且?guī)щ姾傻幕钚蕴靠梢愿玫氖褂袡C(jī)物吸附在顆粒表面并聚集在一塊，電解池中，外界提供的O2和電極電解產(chǎn)生的O2在陰極上還原成H2O2，H2O2部分轉(zhuǎn)化為·OH，同時(shí)電解質(zhì)中的氯形成ClO-，H2O2和ClO-具有強(qiáng)氧化性，·OH則是僅次于氟的氧化劑，可快速進(jìn)攻苯乙烯分子電子云密度高的的部位，氧化苯乙烯，同時(shí)，苯乙烯在電極上發(fā)生直接氧化作用，相比于傳統(tǒng)活性炭吸附，三維電級(jí)反應(yīng)器可以很快地氧化降解苯乙烯[7]。

2.2 反應(yīng)電壓對(duì)苯乙烯廢氣去除率的影響

調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?000ml/min，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速為4rap/min。直流電源設(shè)置為2A，調(diào)整電壓為2V-18V，電解反應(yīng)時(shí)間在30min后，檢測(cè)進(jìn)出口氣體苯乙烯濃度。

圖3 反應(yīng)電壓對(duì)廢氣去除率的影響

由圖3可知，在電壓小于6V時(shí)，苯乙烯的去除率隨電壓的增大沒有明顯提升，去除率相對(duì)較低。因?yàn)閺?fù)極性三維電極中，粒子電極的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力是床內(nèi)各點(diǎn)導(dǎo)電顆粒的電位與電解液電位的差值，當(dāng)差值很小時(shí)，體系內(nèi)只有離子的遷移，沒有電極反應(yīng)的發(fā)生，此時(shí)電流為無效電流。作用在粒子電極的電壓小于苯乙烯的反應(yīng)電壓時(shí)，僅有短路電流與旁路；當(dāng)電壓強(qiáng)度大于6V時(shí)，苯乙烯去除率有較顯著提升，電壓增加至18V時(shí)去除率達(dá)到了60.2%，但在電壓為20V時(shí)又趨于平穩(wěn)，降解率為61.4%?？紤]電解槽的電流強(qiáng)度隨著電壓增大而增加，使反應(yīng)器中填充粒子復(fù)極化程度加大，苯乙烯發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力增加，同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)中催化生成·OH自由基；并且Ti/RuO2是DSA類陽極，具有較好的親水性，能通過電解產(chǎn)生以及外界提供的O2在電極上還原產(chǎn)生H2O2，加強(qiáng)電解作用和電化學(xué)氧化還原作用[8]；但是電解反應(yīng)是放熱反應(yīng)，電流過大時(shí)，反應(yīng)釋放出熱量使得溶液溫度迅速上升，析氫析氯等副反應(yīng)明顯增強(qiáng)[9]。

2.3 載氣流量對(duì)苯乙烯廢氣去除率的影響

保持電壓為10V左右，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速和載氣的流量，研究氣體流量的影響。調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?，相?yīng)改變?nèi)鋭?dòng)泵轉(zhuǎn)速。保持進(jìn)口廢氣濃度為50ppm左右，運(yùn)行30min后取樣檢測(cè)。

圖4 載氣流量對(duì)廢氣去除率的影響

從圖中所示，載氣流量從1000 ml/min增加到3000ml/min，苯乙烯降解效果一直在下降。特別是在進(jìn)氣時(shí)間30min時(shí)，廢氣去除率從48.6%下降到22.5%，下降幅度超過了53%?？紤]反應(yīng)電流是有效電流，而電解液內(nèi)直接流過的旁路電流和活性炭粒子之間直接接觸成鏈形成的粒子內(nèi)部短路電流都是無效電流，適當(dāng)增大載氣流量可以減小電解池中的無效電流，可以增強(qiáng)體系的傳質(zhì)效果與電解效率，但是載氣流速過大時(shí)，活性炭對(duì)苯乙烯的吸附作用下降，且苯乙烯分子與復(fù)極性活性炭粒子的碰撞概率減小，與電極的接觸時(shí)間也減小，最終苯乙烯的氧化降解效果大幅下降。

結(jié)語

（1）三維電極反應(yīng)器內(nèi)有活性炭參與，活性炭作為離子群電極，可以使有機(jī)物吸附在顆粒表面并聚集在一塊，通過電場作用，可以很快地氧化降解。

（2）當(dāng)電壓強(qiáng)度大于6V時(shí)，苯乙烯去除率有顯著提升，電壓增加至18v時(shí)去除率達(dá)到了60.2%，但在電壓為20V時(shí)又趨于平穩(wěn)，降解率為61.4%；隨著載氣流量的增加，苯乙烯去除率顯著降低，特別是在進(jìn)氣時(shí)間30min時(shí)，廢氣去除率下降幅度超過了53%。

（3）三維電極反應(yīng)器中·OH自由基、H2O2等強(qiáng)氧化性物質(zhì)的產(chǎn)生量和系統(tǒng)中的PH值呈正相關(guān)，同時(shí)電導(dǎo)率增大有利于提高單位體積電解池處理能力。