載鐵活性炭顆粒電極降解氯霉素污染廢水性能研究

李靖宇 王憲森 王曉林 趙淑雯 楊永俊 朱超勝*，2

(周口師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 周口 466000；2.周口市環(huán)境污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，466000)

1 引言

抗生素在許多領(lǐng)域中皆有使用，如醫(yī)藥、家畜養(yǎng)殖、魚蝦養(yǎng)殖等。傳統(tǒng)氯霉素廢水處理技術(shù)有物化法、化學(xué)法和生物法等[1]，這些處理方法具有能源消耗高和二次污染等缺點(diǎn)，所以新型氯霉素廢水處理技術(shù)的研究工作顯得越發(fā)重要。電化學(xué)技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、二次污染小等優(yōu)勢(shì)，屬于友好型技術(shù)[2]，具備推廣潛力[3]?；诨钚蕴款w粒電極的三維電化學(xué)體系中活性炭在電場(chǎng)作用下帶電變成微電極[4]。本文采用浸漬法制備載鐵活性炭，并將其用于三維電化學(xué)降解氯霉素體系中，充分利用活性炭疏松多孔、比表面積大的特點(diǎn)和鐵對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的催化作用，提升氯霉素廢水處理效果。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

儀器：液相色譜儀、多組輸出直流電供應(yīng)器、管式爐、pH計(jì)、分析天平。

試劑：顆粒活性炭、氯霉素、七水合硫酸亞鐵、無(wú)水硫酸銨、濃硫酸、氫氧化鈉。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

電化學(xué)降解氯霉素的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。電解槽150 mL，石墨片(2.5 cm×10.0 cm)作為陰極連接電源負(fù)極，網(wǎng)狀Ti/RuO2-IrO2(2.5 cm×8.0 cm)作為陽(yáng)極連接電源正極。第三電極顆粒載鐵活性炭。陽(yáng)極和陰極(主電極)兩極板間彼此相距3.5 cm。準(zhǔn)確稱量1.0 g載鐵活性炭裝入80目濾網(wǎng)縫制的口袋中加入5枚玻璃球，將口袋完全浸入100 mL濃度為20 mg/L的模擬氯霉素污染廢水中。準(zhǔn)確稱量0.7102 g無(wú)水Na2SO4加入到電解槽中，用玻璃棒攪拌至無(wú)水Na2SO4完全溶解后，采用H2SO4或NaOH溶液調(diào)節(jié)pH在2～6之間。連接電路，將載鐵活性炭完全浸入氯霉素廢水中，打開電源，調(diào)節(jié)恒定電壓后，定時(shí)取樣至加入200 μL甲醇的試管中，靜置后分析。單因素試驗(yàn)時(shí)，每次控制一個(gè)變量，保持其他因素不變。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 pH值對(duì)反應(yīng)的影響

控制U=7 V，氯霉素濃度為20 mg/L及其他條件不變，將溶液pH分別設(shè)置為2、3、4、6、8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 pH對(duì)氯霉素降解的影響

由圖2可知，隨著pH的增大，溶液中氯霉素的去除率明顯下降。相同電解時(shí)間內(nèi)，pH=3時(shí)，氯霉素的去除率最高。pH=2的曲線位于pH=3的曲線上方，原因是強(qiáng)酸條件下溶液中有較多的自由移動(dòng)的離子和溶液中有電子，導(dǎo)致電解效率較高。在pH=3-8階段中，隨著pH的增大，降解效率明顯降低。由此可知，氯霉素的降解效率隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸升高，排除強(qiáng)酸性離子、溶液中有電子的干擾外，可以清晰得到最適pH=3，該pH下的最佳降解效率可以達(dá)到75.17%。載鐵活性炭體系在氧化120 min后，廢水中氯霉素濃度可以降至2.6177 mg/L。

3.2 電壓對(duì)反應(yīng)的影響

考查電壓對(duì)氯霉素去除率的影響，確定氯霉素濃度為20 mg/L，pH=3，其他條件保持不變。將電壓分別設(shè)置為5 V、6 V、7 V、8 V、9 V，分析不同電壓下氯霉素的去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 電壓對(duì)氯霉素降解的影響

由圖3可知，在U=5 V～7 V階段中，隨著電壓的增大，氯霉素降解效率明顯得到了提高；在U=7 V～9 V階段中，隨著電壓的增大，降解效率已經(jīng)開始降低。由圖中曲線的變化趨勢(shì)可知，氯霉素的降解效率隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸升高，并且可以清晰得到最適電壓為U=7 V，該電壓下的降解效果最好。

3.3 活性炭耐受性對(duì)反應(yīng)的影響

調(diào)節(jié)初始溶液pH=3，U=7 V，稱量1.0 g載鐵活性炭，其他條件不變。通過(guò)增加載鐵活性炭的使用次數(shù)來(lái)分析活性炭耐受性對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：當(dāng)使用兩次時(shí)，去除效率曲線仍隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈上升的趨勢(shì)，降解效率高達(dá)75%以上；當(dāng)使用三次時(shí)，其降解效率仍保持較高水平，催化劑的效果沒有因?yàn)橹貜?fù)使用而變差，效率依然高達(dá)75%以上；當(dāng)使用第四次時(shí)，效率總體仍保持上升趨勢(shì)，證明該材料重復(fù)性很高，減少了材料的損耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以應(yīng)用于生活中的氯霉素有機(jī)廢水降解。

圖4 活性炭耐受性對(duì)氯霉素降解的影響

4 結(jié)語(yǔ)

載鐵活性炭三維電極體系處理氯霉素廢水速率快，效率較高，減少了材料損耗，不產(chǎn)生二次污染，具有一定的應(yīng)用前景，通過(guò)調(diào)低pH值，控制合適的電壓可以達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果。體系的最佳實(shí)驗(yàn)條件為U=7 V，pH=3，去除率可以達(dá)到74.17%。載鐵活性炭經(jīng)4次重復(fù)使用，去除率僅降低2.66%，具有良好的耐受性?；谳d鐵活性炭的三維電化學(xué)體系是一種可行的氯霉素廢水處理方法。