三維電極法處理六硝基茋生產廢水

任雅琴，李 峰，李瑞博，朱曉宏

（1. 蘭州大學 資源與環境學院，甘肅 蘭州 730000；2. 中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051）

六硝基茋（HNS）是一種具有較高能量和良好爆炸性能的低感度耐熱單質猛炸藥［1］。HNS生產廢水具有成分復雜、COD高、毒性大、色度高和排放量大等特點，是較難處理的廢水之一［2］。電化學法具有易于控制、易建立密閉循環和無二次污染等優點［3］，被稱為清潔處理法或環境友好技術［4］，在廢水處理領域越來越受到人們的重視［5-7］。三維電極法是一種新型的電化學法，它是在傳統二維電解電極間裝填粒狀或其他碎屑狀工作的電極材料，使其表面帶電，成為新的電極，從而大幅增加工作電極的比表面積，減小反應物遷移的距離，提高電解效率［8-10］。該法具有電流效率高、處理效率高和無二次污染等優點，常被應用于去除廢水中的有機污染物［11-21］。

本工作以不同初始COD的HNS生產廢水為處理對象，通過單因素實驗和正交實驗優化了三維電極法處理HNS生產廢水的工藝條件，考察了最佳工藝條件下的廢水處理效果。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

廢水為山西某火炸藥廠的HNS生產廢水，COD=312 000 mg/L，色度為37 500倍，pH=5。

濃硫酸（98%（w））、無水硫酸鈉、氫氧化鈉：分析純； 顆粒狀活性炭：工業級； 玻璃珠；蒸餾水。

CS型電化學工作站： 武漢科思特儀器有限公司； JB-3型定時恒溫磁力攪拌器：上海雷磁新涇儀器有限公司； PG4002-SDR型電子天平： Mettler Toledo儀器有限公司； DF-1型恒溫電加熱器：上海楚波實驗室設備有限公司。

1.2 實驗方法

采用500 mL燒杯作為電解槽，陰極為Ti板，陽極為Ti/IrO2-Ta2O5電極，每塊電極尺寸均為40 mm×30 mm ×3 mm，陽極和陰極與電化學工作站相連，電極間距可調，在電解槽內設置磁力攪拌器。將活性炭用濃硫酸和氫氧化鈉溶液清洗后，在蒸餾水中浸泡24 h后烘干。稱取一定量的活性炭置于廢水中浸泡直至其達到吸附平衡，排出廢水。

將400 mL經稀釋的一定初始COD的廢水加入電解槽中，調節電解槽中硫酸鈉的質量濃度，加入一定量的m（玻璃珠）∶m（活性炭）（活性炭的質量為5.0 g），調整極板間距，在電極上施壓，進行電解反應，測定電解反應后出水COD，計算COD去除率。

1.3 分析方法

采用重鉻酸鉀法測定COD［22］。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 極板間距對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、電解電壓8 V、電解時間4 h的條件下，極板間距對COD去除率的影響見圖1。由圖1可見，隨極板間距的增大，COD去除率逐漸降低。這是因為，相同的電壓條件下，極板間距越小，則極板間溶液的量越少，極板間電阻越小，電容越大，電極所能提供的反應電子數量越多，COD去除率也就越大。但極板間距太小時會導致電場過強，通電瞬間可能引起電場擊穿，降低電極的使用壽命。因此，選取極板間距為5，10，15 mm進行正交實驗。

圖1 極板間距對COD去除率的影響

2.1.2ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、電解電壓8 V、極板間距5 mm、電解時間4 h的條件下，ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響見圖2。由圖2可見：隨ρ（硫酸鈉）的增加，COD去除率逐漸提高；當ρ（硫酸鈉）>500 mg/L時，COD去除率的增幅趨緩。綜合考慮，選取ρ（硫酸鈉）為250，375，500 mg/L進行正交實驗。

圖2 ρ（硫酸鈉）對COD去除率的影響

2.1.3 電解電壓對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、極板間距5 mm、電解時間4 h的條件下，電解電壓對COD去除率的影響見圖3。由圖3可見：隨電解電壓的升高，COD去除率逐漸升高；當電解電壓高于8 V后，COD去除率的增幅減緩。這是因為，電解電壓越高，則填充粒子被復極化的強度越高且數量越多，形成的微電極就越多，電解反應面積越大，COD去除率就越高。因此，選擇電解電壓為8 V較適宜。

圖3 電解電壓對COD去除率的影響

2.1.4 電解時間對COD去除率的影響

在初始廢水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸鈉）=500 mg/L、極板間距5 mm、電解電壓8 V的條件下，電解時間對COD去除率的影響見圖4。由圖4可見：隨電解時間的延長，COD去除率逐漸升高；電解時間超過4 h后， COD去除率的增幅趨緩。因此，選擇電解時間為4 h較適宜。

圖4 電解時間對COD去除率的影響

2.2 正交實驗

在單因素實驗的基礎上，采用4因素3水平正交實驗確定三維電極電解HNS生產廢水工藝中初始廢水COD、ρ（硫酸鈉）、極板間距、m（玻璃珠）∶m（活性炭）4個工藝參數的最佳實驗條件，并考察不同工藝參數對COD去除率的影響。各因素的水平已由單因素實驗確定，而m（玻璃珠）∶m（活性炭）的水平則通過相關報道［23-24］確定為1∶1，1∶2，1∶3。正交實驗因素水平見表1，正交實驗結果見表2。由表2可見，在選定的參數范圍內，極板間距對COD去除率的影響最大，其次是初始廢水COD、ρ（硫酸鈉）和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。最優方案為A1B3C3D3，即三維電極處理HNS生產廢水的最佳工藝條件為：極板間距5 mm，初始廢水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸鈉）=500 mg/L。在此最佳工藝條件下，廢水COD去除率為36.5%。

表1 正交實驗因素水平

表2 正交實驗結果

3 結論

a）以Ti板為陰極、Ti/IrO2-Ta2O5電極為陽極，采用三維電極法處理HNS生產廢水，通過單因素實驗確定的最佳工藝條件為電解電壓8 V、電解時間4 h。

b）正交實驗結果表明，極板間距對COD去除率的影響最大，其次是初始廢水COD、硫酸鈉質量濃度和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。優化的工藝條件為：極板間距5 mm，初始廢水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸鈉）=500 mg/L。在此最佳工藝條件下，廢水COD去除率為36.5%。

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