C/PTFE和PbO2電極同時(shí)作用氧化降解甲基橙廢水實(shí)驗(yàn)研究

羅勝鐵，全俊愛，沈 麗

(1.唐山學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000；2.對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100029)

1 引言

染料廢水主要來源于染料及染料中間體生產(chǎn)加工以及織物染色、印花、整理等工序，具有COD高，可生化性差；色度高，成分復(fù)雜等特點(diǎn)。其中偶氮染料是使用最多的一類，占有機(jī)染料產(chǎn)品總量的半數(shù)以上，絕大多數(shù)偶氮染料由于含有復(fù)雜的芳香基團(tuán)而難以被生物降解脫色，一直是印染廢水的處理難點(diǎn)之一。目前，染料廢水的處理技術(shù)有物化法、絮凝法、化學(xué)氧化法、生化法、光催化氧化法、電化學(xué)法等[1]。

電催化氧化法是通過電催化過程中產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的 OH 羥基自由基與有機(jī)物之間發(fā)生反應(yīng)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，達(dá)到去除有機(jī)物的目的，具有易建立密閉循環(huán)和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。近年來，電催化氧化技術(shù)作為發(fā)展較快的新方法，在染料廢水處理領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)通過合理的電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，采用電催化氧化方法，以PbO2陽極、炭/聚四氟乙烯(C/PTFE)氧還原陰極，在滌綸隔膜電解槽中，利用陽極氧化和陰極還原產(chǎn)物的氧化同時(shí)作用處理甲基橙廢水并考察相應(yīng)的處理效果。

2 電極材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 電極的選擇和制備方法

電極的電催化特性是電催化技術(shù)的核心內(nèi)容，可通過變換電極基體材料和用有電催化性能的涂層對電極表面進(jìn)行修飾改性而實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)驗(yàn)選用PbO2電極為陽極，自制C/PTFE氧還原電極為陰極，研究其對甲基橙模擬廢水的處理效果[5～7]。

C/PTFE氧還原陰極的制備方法如下：將一定質(zhì)量的石墨粉和聚四氟乙烯乳液(PTFE)用無水乙醇混合，超聲攪拌20 min，使石墨和PTFE分散均勻，在恒溫水浴(60～80℃)中不斷攪拌，直至混合成凝聚膏體，將凝膏體輥壓制成厚約0.2 mm的碳膜，將壓好的兩片碳膜附著在不銹鋼網(wǎng)上，用液壓機(jī)將碳膜和不銹鋼網(wǎng)復(fù)合好，將復(fù)合好的電極用蒸餾水煮沸0.5 h，然后在90 ℃干燥2 h備用。

2.2 電解體系隔膜的選擇

為避免兩極產(chǎn)物的混合，防止在電極表面或溶液中發(fā)生副反應(yīng)和次級反應(yīng)，從而影響產(chǎn)物純度、收率和電流效率，甚至發(fā)生危及安全的事故,綜合考慮采用滌綸隔膜來分隔陽極和陰極區(qū)[8～10]。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1所示。自制有機(jī)玻璃電解槽(60 mm×45 mm×80 mm)，有效容積為130 mL，陰陽極室體積比為1∶1。采用PbO2電極為陽極，自制的C/PTFE氣體擴(kuò)散電極為陰極，極間距為0.5 cm，陽極和陰極的有效面積均為34 cm2，在電解槽內(nèi)放置滌綸濾膜。壓縮空氣通過槽體底部的多孔板向反應(yīng)器內(nèi)曝氣[5]。

圖1 電解實(shí)驗(yàn)裝置示意

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用陰、陽極同時(shí)作用處理濃度100 mg/L的甲基橙模擬廢水。電解質(zhì)Na2SO4濃度為0.02 mol/L，用0.5 mol/L的H2SO4和NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，在一定的條件下進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。采用重鉻酸鉀法測定COD計(jì)算去除率，采用分光光度法在470 nm測定甲基橙模擬廢水的吸光度并計(jì)算其脫色率，試驗(yàn)中采用PHS-3C測定儀測定溶液pH值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 陰陽極同時(shí)作用氧化降解甲基橙影響因素的研究

3.1.1 曝氣量對甲基橙脫色效果的影響

在電流密度30 mA/cm2，陰、陽極室內(nèi)甲基橙脫色率隨曝氣量的變化情況見圖2、圖3。

圖2 曝氣量對陰極室甲基橙脫色的影響

圖3 曝氣量對陽極室甲基橙脫色的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，較高的曝氣量和較低的曝氣量對廢水脫色的效果均不是太好，說明曝氣時(shí)對電極表面的供氧量直接影響了陰極室內(nèi)氧化劑的生成和對廢水的氧化作用。

對于陽極室內(nèi)甲基橙脫色率受曝氣量影響明顯小于陰極室，依據(jù)脫色效果，結(jié)合上述對陰、陽極室脫色率的分析，選用曝氣量為1.2 L/min。

在此條件下，陽極室、陰極室甲基橙模擬廢水在電解80 min時(shí)脫色率均可達(dá)到90%以上。

3.1.2 電流密度對廢水脫色效果的影響

選用曝氣量為1.2 L/min,考察不同電流密度對廢水處理效果的影響，結(jié)果見圖4、圖5。

陰極室內(nèi)脫色效率基本與電流密度呈現(xiàn)正相關(guān)，即隨著電流密度增加，脫色率效果越好。

陽極室內(nèi)廢水脫色效率與電流密度的關(guān)系較陰極室為緩和，脫色率的變化比較平緩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同時(shí)間內(nèi)，電流密度增加，提高了電極反應(yīng)速率，廢水脫色效果越好，且廢水脫色率隨著時(shí)間延長而逐漸提高，同時(shí)由于水里有機(jī)物濃度的下降使脫色率趨向穩(wěn)定。但電流密度過大將降低電流效率，綜合考慮，實(shí)驗(yàn)中選取電流密度30 mA/cm2。

圖4 電流密度對陰極室甲基橙脫色的影響

圖5 電流密度對陽極室甲基橙脫色的影響

3.1.3 初始pH值對廢水脫色效果的影響

調(diào)節(jié)甲基橙模擬廢水的初始pH值，研究初始pH值對甲基橙脫色效果的影響，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 初始pH值對陰極室甲基橙脫色的影響

圖7 初始pH對陽極室甲基橙脫色的影響

由圖6、圖7可以看出，pH對陰極室電化學(xué)氧化甲基橙的脫色效果有一定的影響且影響程度大于陽極室，但pH值在2～10之間區(qū)別不太明顯，對甲基橙脫色效果差異不大。脫色率在80 min后趨于穩(wěn)定。其中，pH值為13時(shí)的堿性條件下，由于電催化產(chǎn)生的H2O2容易分解從而導(dǎo)致了脫色效果較差。

3.2 甲基橙廢水COD去除率隨時(shí)間的變化

在曝氣量為1.2L/min，電流密度30 mA/cm2，pH值為7的條件下，考察甲基橙模擬廢水COD去除率隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖8。

圖8 甲基橙模擬廢水COD去除率隨時(shí)間的變化

由圖8可知，甲基橙廢水經(jīng)陰、陽極電催化氧化作用降解程度較大，COD去除率隨電解時(shí)間的延長逐漸升高，相同時(shí)間，電流密度越高，脫色效果越好。

4 結(jié)論

(1)在滌綸隔膜電解體系中，陰、陽極室同時(shí)作用催化氧化降解甲基橙模擬廢水取得了較好的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)钠貧饬坑欣诩谆鹊慕到猓患谆鹊拿撋屎虲OD去除率隨電流密度增加而升高，初始pH在2～10之間范圍內(nèi)對甲基橙的脫色效果影響不明顯。

在pH值為7，曝氣量1.2 L/min，電流密度30 mA/cm2的條件下，反應(yīng)時(shí)間80 min，甲基橙廢水脫色率可達(dá)到90%以上，且脫色效果陽極室好于陰極室，COD去除率可達(dá)到85%以上，COD去除效果陰極室好于陽極室。

(2)通過電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、陰極材料的研制與優(yōu)選，可實(shí)現(xiàn)利用電催化活性的PbO2陽極的氧化作用和C/PTFE氧陰極還原產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑H2O2共同降解水中的有機(jī)污染物，提高了降解有機(jī)污染物的電流效率、降低能耗。無需另外加入其他氧化劑，不會產(chǎn)生二次污染。

[1]仁南琪，周顯嬌，郭婉茜，等. 染料廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013,64(1):84～94.

[2]孫亞軍.電催化氧化處理染料廢水的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì), 2014,34(12):53～56.

[3]劉麗麗,溫 青,矯彩山,等.電催化氧化處理難降解有機(jī)廢水的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程師, 2005,120 (9):33～34.

[4]胡大波，杜 聰，邱 玉.電催化氧化技術(shù)深度處理染料廢水研究[J]. 中國資源綜合利用, 2016,34(7):34～36.

[5]羅勝鐵，沈 麗. 電催化氧化降解含酚工業(yè)廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 唐山學(xué)院學(xué)報(bào), 2014,27(3):70～72.

[6]楊雅雯，康愛彬，余偉發(fā)，等. 鈦基氧化物涂層電極在污水處理方面的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2009,3(3):470～474.

[7]溫 青，張寶宏，殷金鈴，等. 摻雜PbO2/Ti電極的制備及電催化性能分析[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2006,30(3):69～71.

[8]于秀娟，王 輝，烏 蘭,等. 隔膜電解體系內(nèi)苯酚降解效果的研究[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2004,12(3):303～306.

[9]Brillas E, Sauleda R, Casado J. Use of an acidic Fe/O2 cell for wastewater treatment:degradation of aniline[J].Journal of Electrochemical Society, 1999,146(12):4539～4543.

[10]孫曉君，馮玉杰，蔡偉民, 等. 廢水中難降解有機(jī)物的高級氧化技術(shù)[J]. 化工環(huán)保, 2001，21(5):264～269.