不同金屬氧化物陽極組合降解苯酚過程比較分析

梁吉艷，邢德海，李丹，高陸璐

不同金屬氧化物陽極組合降解苯酚過程比較分析

梁吉艷，邢德海，李丹，高陸璐

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

鈦基氧化銥電極為代表的活性陽極析氧過電位低，鈦基氧化鉛電極為代表的非活性電極析氧過電位高。以鋼板為陰極，選取了Ti/Ir-RuOx作為單一陽極類型和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2作為雙陽極類型，對比處理苯酚模擬廢水的效果，從電流密度、pH值、苯酚模擬廢水初始濃度和電解質類型4個方面來比較對苯酚處理效果的影響。實驗表明，在電流密度為10 mA/cm2、pH為7、苯酚模擬廢水初始濃度為100 mg/L和加入少量NaCl為電解質的條件下，雙陽極類型組合對苯酚模擬廢水的處理效果要好于單陽極，去除率達到98%。

電催化氧化；陽極；苯酚

酚類廢水多見于化工業產生之中[1]。因酚類物質毒性威脅水生生物的生長與繁殖，污染飲用水源，對水體可造成嚴重污染，含酚污水已被我國列為需重點解決有害廢水之一[2]。目前，處理苯系廢水的主要方法有臭氧氧化處理技術、光催化氧化處理技術、Fenton氧化處理技術、濕式催化氧化處理技術、超臨界水氧化處理技術、高壓脈沖等離子處理技術和電化學氧化處理技術[3-8]。其中，電化學氧化處理技術因具有處理效率高、設備簡單、操作方便以及環境友好等優點，而受到廣泛關注與應用[9]。

采用電催化氧化處理技術，以苯酚模擬廢水為處理對象。以鈦基氧化銥電極為代表的活性陽極具有析氧過電位低，在電化學氧化有機物過程中活性氧以“化學吸附”的形式存在于電極表面，對有機物呈部分氧化或化學轉化作用等特點；以鈦基氧化鉛電極為代表的非活性電極具有析氧過電位高，在電化學氧化有機物過程中活性氧以“物理吸附”的形式存在于電極表面，活性氧的氧化活性高，對有機物呈徹底礦化的“電化學燃燒”作用等，分別進行單陽極與雙陽極平行對比實驗，從電流密度、pH值、苯酚模擬廢水初始濃度和電解質類型4個方面來考察對苯酚處理效果的影響，進而得出單、雙陽極電解裝置在處理苯酚模擬廢水上的差異。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

實驗中用到的試劑均為分析純，主要有苯酚、氯化鈉、無水硫酸鈉、甲醇、重鉻酸鉀、硫酸汞和硫酸銀等；實驗中用到的儀器主要有數顯直流穩壓電源、分析天平、磁力攪拌器、高效液相色譜儀、電熱鼓風干燥箱、優普系列超純水器等。

1.2 分析方法

本實驗采用北京北分瑞利分析儀器責任有限公司生產的高效液相色譜儀（型號SY-8100）測量苯酚模擬廢水的濃度。測定條件為：波長216 nm，流量1.0 mL/L，壓力范圍0~30 Pa,進樣量40~60μL。

2 結果與討論

2.1 電流密度對電催化降解苯酚效果的影響

取初始濃度為100 mg/L的苯酚模擬廢水400 mL于電解槽中，以0.25 mol/L的硫酸鈉作為電解質。苯酚模擬廢水的初始pH值為7（無需調節），調節電極板間距為2 cm，調節直流穩壓電源，分別使Ti/Ir-RuO單陽極和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2雙陽極在電流密度為10、20、30 mA/cm2條件下進行平行對比實驗。每組實驗進行210 min，每隔30 min取一次水樣，采用高效液相色譜儀測量苯酚濃度，具體結果如圖1圖2所示。

圖1 不同電流密度對單陽極處理苯酚模擬廢水的影響

圖2 不同電流密度對雙陽極處理苯酚模擬廢水的影響

從實驗結果可以看出，無論是單陽極還是雙陽極氧化電解苯酚，苯酚的去除率在降解2 h后，都隨著電流密度的增大而遞增。加大電流密度，使電解槽溶液中電子傳遞速率得到了加強，提高了降解苯酚的速率；電流密度的增大，也加快了生成·OH的速率，從而加強了間接氧化苯酚的能力。但是電流密度過大，也會帶來減少電極壽命、增加經濟成本的弊端，綜合考慮電流密度以10 mA/cm2為宜。不同的是，在電流密度為30 mA/cm2時，單陽極苯酚去除率為73.77%，雙陽極苯酚去除率為94.58%，效果明顯好于單陽極。這可能是雙陽極加大了電極板的面積，使苯酚與電極更充分接觸，羥基自由基的生成量也進而加大，從而加快了氧化速率。

2.2 初始pH對電催化氧化苯酚效果的影響

取初始濃度為100 mg/L的苯酚模擬廢水400 mL于電解槽中，以0.25 mol/L的硫酸鈉作為電解質，調節電流密度為10 mA/cm2，電極板間距為2 cm，調節模擬廢水的pH值分別為4、7、10條件下進行Ti/Ir-RuO單陽極和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2雙陽極平行對比實驗。每組實驗進行210 min，每隔30 min取一次水樣，采用高效液相色譜儀測量苯酚濃度，具體結果如圖3圖4所示。

圖3 不同初始pH對單陽極處理苯酚模擬廢水的影響

圖4 不同初始pH對雙陽極處理苯酚模擬廢水的影響

從實驗結果可以看出，無論是單陽極還是雙陽極氧化電解苯酚，都是在初始pH值為7的情況下苯酚的去除率最高，處理效果最好。這可能是因為初始pH值過高會使·OH與HCO3-等中間副產物反應，從而與苯酚構成競爭關系，消耗·OH數量，進而降低苯酚降解效率；而初始pH值過低，則會造成電極表面氫的析出等副反應，這就使電流不能充分的用于降解苯酚。從實驗的結果也可以看出，雙陽極的處理效果也要好于單陽極。這可能是雙陽極加大了電極板的面積，使苯酚與電極更充分接觸，羥基自由基的生成量也進而加大，從而加快了氧化速率。

2.3 苯酚初始濃度對電催化氧化苯酚效果的影響

取苯酚模擬廢水400 mL于電解槽中，以0.25 mol/L的硫酸鈉作為電解質，調節電流密度為10 mA/cm2，電極板間距為2 cm，模擬廢水pH為7，分別在苯酚初始濃度為100、200、300 mg/L條件下進行Ti/Ir-RuO單陽極和Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2雙陽極平行對比實驗。每組實驗進行210 min，每隔30 min取一次水樣，采用高效液相色譜儀測量苯酚濃度，具體結果如圖5圖6所示。

圖5 不同苯酚初始濃度對單陽極處理苯酚模擬廢水的影響

圖6 不同苯酚初始濃度對雙陽極處理苯酚模擬廢水的影響

從實驗結果可以看出，無論是單陽極還是雙陽極氧化電解苯酚，苯酚的去除率都是100 mg/L＞50 mg/L＞200 mg/L，雙陽極對苯酚的去除率達到98%，單陽極為49.86%，效果遠好于單陽極。這可能是因為在電流密度固定的情況下，會在電極表面產生相對固定的氧化劑的量，此時苯酚初始濃度過大過小都會降低降解效率。

2.4 不同電解質對電催化氧化苯酚效果的影響

正取初始濃度為100 mg/L的苯酚模擬廢水400 mL于電解槽中，調節電流密度為10 mA/cm2，電極板間距為2 cm，調節模擬廢水的pH值為7，以0.25 mol/L的硫酸鈉作為電解質，并在此基礎上加入0.4 g NaCl進行Ti/Ir-RuO單陽極和Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2雙陽極平行對比實驗。每組實驗進行210 min，每隔30 min取一次水樣，采用高效液相色譜儀測量苯酚濃度，具體結果如圖7圖8所示。

圖7 不同電解質對單陽極處理苯酚模擬廢水的影響

圖8 不同電解質對雙陽極處理苯酚模擬廢水的影響

從實驗結果可以看出，無論是單陽極還是雙陽極氧化電解苯酚，以NaCl為電解質電解苯酚效果要好于以Na2SO4為電解質，并且雙陽極氧化苯酚的情況下更快達到去除率為100%。這可能是因為在以NaCl為電解質時，電解生成了Cl2和ClO-，兩者都是強氧化劑，起到了間接氧化苯酚的作用，所以能在很短的時間內達到去除率為100%的效果。而雙陽極由于加大了電極板的面積，羥基自由基的生成量加大，使苯酚與電極更充分接觸，從而進一步加快了氧化速率。從實驗中能聞到刺鼻的消毒水味道，可以證實確實產生了Cl2。

3 結論

在以Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2作為雙陽極和以Ti/Ir-RuO作為單一陽極分別氧化苯酚模擬廢水的實驗中，考慮到實際生產中的經濟性和可行性，電流密度選為10 mA/cm2；模擬廢水的初始濃度為100 mg/L時處理效果最好；初始pH值為7時要好于其他值，因此無需調節初始pH值；以NaCl為電解質對苯酚去除率與去除速率好于以Na2SO4為電解質；雙陽極對苯酚模擬廢水的處理效果好于單陽極，去除率高達98%。

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Comparative Analysis of Phenol Degradation by Different Metal Oxide Anodes

（Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870, China）

The overpotential for oxygen evolution of active anodes including Ti/Ir-RuOis low, while that of non active anodes including Ti/PbO2is high. In this paper, taking steel plate as cathode, Ti/Ir-RuOwas selected as the single anode type and Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2was selected as double anode type, treatment effect of phenol wastewater was compared, the Influence of current density, pH value, initial concentration of phenol wastewater and electrolyte type on phenol wastewater treatment was investigated. Experiments show that, when the current density is 10 mA/cm2, pH is 7, the initial concentration of phenol wastewater is 100 mg/L, under the condition of adding a small amount of NaCl as electrolyte, the removal efficiency of the double anode type is better than that of the single anode, and the removal rate is up to 98%.

Electrocatalytic oxidation; Anode; Phenol

TQ 032

A

1671-0460（2017）10-1984-03

遼寧環境科研教育“123 工程”（CEPF2014-123-2-4）; 遼寧省科學事業公益研究基金項目（2015003002）。

2017-03-13

梁吉艷（1976-），女，遼寧沈陽人，教授，博士，2009年畢業于東北大學安全技術與工程專業，研究方向：從事環保相關技術工作。E-mail：liangjiyan2005@126.com。