Ti/IrO2-RuO2電極降解苯酚紅廢水

黃禮麗，何 平

（1.四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646005；2.西南科技大學，四川 綿陽 621010）

隨著工業和經濟的快速發展，各種印染廢水的排放給人類賴以生存的環境帶來了巨大壓力。苯酚紅（Phenol Red，PR） 作為一種應用廣泛的深紅色粉末狀染料，含有PR的廢水毒性較大，降解困難，且隨意排放，將嚴重破壞生態平衡，并導致生物基因突變[1]，因而需要采取適當方法處理。

傳統的染料廢水處理方法：物理法[2]、生物法[3]、物理化學法[4]、氧化法[5]等已不能滿足排放要求。具有生物毒性的有機污染物可以采用電化學法處理[6]，新型電極材料，具有能耗小，電極穩定性良好，處理費用低等優點。目前，未見Ti/IrO2-RuO2電極電催化氧化降解PR廢水的相關研究報道。

本文采用熱分解法制備了Ti/IrO2摻雜RuO2電極，將此自制電極電催化降解苯酚紅廢水，并優化其降解條件。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

儀器：UV-2102 PCS型紫外/可見分光光度計，PHS-3C型pH計，DF1731SLL3A型DC電源，HJ-3型數顯恒溫磁力攪拌器。試劑：鈦片，鹽酸，草酸，乙醇，異丙醇，氯化銥，氯化釕，氯鉑酸，苯酚紅，硫酸鈉，氫氧化鈉，自制蒸餾水。

1.2 制備Ti/IrO2-RuO2電極

預處理Ti基底：用砂紙將3.0cm×2.0cm鈦基底片打磨，至呈現金屬光澤。將打磨后的Ti片放入15%HCl溶液中煮沸30min，用蒸餾水洗凈。除油后的Ti片在20%的草酸溶液中煮沸刻蝕2h，此時其表面為凹凸不平的麻面狀。預處理Ti片放入乙醇中保存備用。

制備電極：稱取物質的量比為1∶1的IrCl3·3H2O和RuCl3·3H2O混合后，溶于異丙醇配制成涂刷液[7]，均勻涂刷在備用的Ti片上，置于95℃的干燥箱中干燥10min，立即轉入450℃馬弗爐中高溫熱分解15min，冷卻。上述涂刷操作重復10次后，Ti片置于550℃馬弗爐中煅燒1h，自然冷卻后即制得Ti/IrO2-RuO2電極。

1.3 配制模擬廢水

采用自制Ti/IrO2-RuO2電極對10mg·L-1的苯酚紅模擬廢水進行電催化氧化降解實驗。

1.4 分析方法

利用紫外/可見分光光度計測試并計算苯系染料廢水中有機物濃度。

2 結果與討論

2.1 電解時間的影響

在恒定電流密度為15mA·cm-2，電解質質量濃度為4.0g·L-1，PR廢水溶液起始pH=3，溫度為20℃的條件下，檢測PR濃度的變化，結果如圖1所示。從圖1中看出，隨著電解時間的增加，PR的最大吸收峰（λ=434 nm） 逐漸減弱，且150min時最大吸收峰強度相較120min時減小并不大，說明此時碰撞因子已經及低，很難繼續進行降解反應。因此，Ti/IrO2-RuO2電極電解PR廢水的最佳電解時間為120min。

圖1 電解時間對PR降解率的影響

2.2 電流密度的影響

電催化氧化過程中，電流密度（恒定電解質Na2SO4的濃度=4.0g·L-1，廢水溶液起始pH=3，溫度=20℃）對PR廢水降解率的影響如圖2所示。圖2中顯示，增加電流密度能明顯提高廢水中PR的降解效率。電流密度過小將導致不能得到較高的電解效率，但若電流密度過大，將造成多余電能用于析氧反應，違背節能理念。綜合來看用Ti/IrO2-RuO2電極電催化氧化降解PR廢水時，最佳電流密度為15mA·cm-2。

2.3 電解質濃度的影響

圖2 電流密度對PR降解率的影響

圖3 電解質濃度對PR降解率的影響

在恒定電流密度為15mA·cm-2，廢水溶液起始pH=3，溫度為20℃的條件下，不同Na2SO4濃度對PR廢水降解效率的影響見圖3。圖3中顯示，電解質增加到6.0g·L-1時， PR降解率明顯有很大提高；但當電解質濃度繼續增大，PR廢水的降解率卻減小。雖然Na2SO4濃度在一定范圍內增加可以有效提高電解質溶液的電導率，減少析氧副反應，促進電解反應的進行；但是隨著電解質濃度增加，SO42-易吸附在電極的表面，電極的活性降低，降解率亦減小。因此，Ti/IrO2-RuO2電極電化學處理PR廢水時，最佳的電解質濃度為 6.0g·L-1。

2.4 廢水溶液pH值的影響

電流密度為15mA·cm-2，電解質Na2SO4濃度為4.0g·L-1，溫度為20℃的條件下，PR廢水的初始pH值，對PR降解率隨時間的變化如圖4所示。圖4中看出PR廢水降解率效果與溶液初始pH值關系密切，pH=7時，PR降解率最高。這是因為有機物的降解是通過與·OH反應進行的，而pH較小有利于·OH的生成，從而使反應速率加快。但是，雖然在酸性環境下，反應速率快，但電極穩定性變低，反而使PR廢水降解效率降低。故此pH=7時為電化學處理PR廢水的最佳條件。

圖4 溶液初始pH值對PR降解率的影響

2.5 溫度的影響

在恒定電流密度為15mA·cm-2，電解質濃度為4.0g·L-1，pH=3的條件下，不同溫度下電解PR廢水降解率的影響如圖5所示。圖5中看出，溫度的升高有利于PR的電催化氧化降解。但綜合考慮電極穩定性能耗等方面因素，Ti/IrO2-RuO2電極降解PR廢水的最佳溫度為40℃，PR廢水降解率為74.5%。

圖5 反應溫度對PR降解率的影響

3 結論

利用熱分解法制備的Ti/IrO2-RuO2電極對模擬PR廢水進行電催化氧化降解，最佳降解條件如下：電流密度15mA·cm-2、電解質Na2SO4濃度6.0g·L-1、廢水溶液起始pH=7、反應溫度40℃，電解120 min后PR廢水降解率為74.5%。結果表明，Ti/IrO2-RuO2電極對苯酚紅廢水具有較好的降解效果。