三維電催化氧化處理對(duì)硝基苯酚廢水研究

楊 勇

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

對(duì)硝基苯酚是常見(jiàn)的有機(jī)化合物，淡黃色晶體，無(wú)味，常被用于制作農(nóng)藥、醫(yī)學(xué)藥品以及染料等，因?yàn)閷?duì)硝基苯酚有劇毒，所以對(duì)含有硝基苯酚的廢水要慎重處理。

目前常用物理法、生物法和化學(xué)氧化法三種方式處理含有對(duì)硝基苯酚廢水。物理法處理造價(jià)高且且效果差，微生物降解雖然效率有保證，但是微生物馴化周期長(zhǎng)，易受沖擊，工程應(yīng)用困難。化學(xué)氧化法主要是運(yùn)用高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）完成有機(jī)物的氧化降解操作，運(yùn)用該方式可以提高氧化效率，并且具有氧化成本低、無(wú)二次污染、易于推廣等特點(diǎn)。

電化學(xué)氧化法是常用的廢水處理方式，三維電催化氧化方式傳質(zhì)效率高、氧化速率快。本文主要研究利用三維電催化氧化法氧化對(duì)硝基苯酚廢水中的污染物，減弱其污染性，這對(duì)于工業(yè)廢水處理非常重要。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

①實(shí)驗(yàn)儀器：雷磁COD-571 化學(xué)需氧量測(cè)定儀、WFZ UV-4802H 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、YS9000 DH60100-S 型直流電源、Magan-IR 500 型傅里葉紅外光譜儀、自制電解槽。電解槽利用有機(jī)玻璃制作，尺寸20cm*9cm*19cm，陰極為石墨極板，陽(yáng)極為鈦涂二氧化釕（Ti/RuO2）極板，兩極板間距離為15.4cm。

②實(shí)驗(yàn)材料：主要藥品材料：NaCl、NaOH 等，均為分析純藥品；本文選取的粒子電極主要材料為活性炭粉末和陶土。將活性炭和陶土以及黏合劑按一定比例混合，經(jīng)設(shè)備擠條成型，以105℃氮?dú)飧稍锾幚恚耆稍锖笤?00℃高溫環(huán)境下焙燒，得到粒子電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施及分析

①實(shí)驗(yàn)方法：第一步，配制PNP 濃度為150mg/L、NaCI 濃度為4g/L 的模擬廢水，待用；第二步，粒子電極預(yù)處理：用純水將粒子電極清洗干凈，然后用配置廢水充分浸泡，直至吸附飽和，取出待用；第三步，將預(yù)處理后的粒子電極填充到電催化氧化系統(tǒng)，在不同電壓和pH 條件下進(jìn)行電催化氧化實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)過(guò)程中，測(cè)定待測(cè)指標(biāo)濃度，判斷氧化效果。從0-30V，設(shè)置不同擋位電壓，檢測(cè)對(duì)PNP降解速率的影響，然后在最佳恒定電壓下，設(shè)置pH3、5、7、10 四組，檢測(cè)pH的最佳反應(yīng)條件，并對(duì)比三維電氧化和二維電氧化的優(yōu)劣。

②實(shí)驗(yàn)分析：不同時(shí)間去水樣檢測(cè)CODCr和PNP 濃度，分析CODCr和PNP 濃度變化，確定電催化氧化對(duì)硝基苯酚降解情況。CODCr采用快速消解分光光度法檢測(cè)；PNP 指標(biāo)采用分光光度法檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 影響因素分析

①電壓因素

電壓主要通過(guò)影響溶液中的電離子數(shù)量及遷移速度，從而對(duì)反應(yīng)過(guò)程中能量提供、有機(jī)物的氧化效果造成影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行電解，測(cè)定不同電壓下不同時(shí)間點(diǎn)PNP 濃度，分析隨著時(shí)間變化，PNP 氧化率變化情況，得到該催化氧化體系中最適電壓。結(jié)果表明，隨著電壓的增大，PNP 的氧化率逐漸提高，當(dāng)電壓數(shù)值在1V 到2V 時(shí)，PNP 的氧化率不高；電壓在3V 至10V 氧化率不斷提高，其中電壓在4V 到5V 時(shí)，PNP 的氧化率提升最為明顯；當(dāng)電壓增加到10V 后，PNP 氧化率逐漸趨于平緩。所以在考慮能耗情況下，應(yīng)首先選用5V、8V、10V 三個(gè)檔位進(jìn)行PNP 氧化降解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不考慮時(shí)間因素影響，5V、8V、10V電壓最終氧化效率相差不大，但使用10V 電壓時(shí)降解效率更高，在200min 左右時(shí)間中可以氧化90%以上的PNP。因此，選擇10V 電壓下，繼續(xù)優(yōu)化其它實(shí)驗(yàn)條件。

②pH 因素

持續(xù)反應(yīng)200min 后，pH 為3、5、7、10 的溶液對(duì)應(yīng)的PNP 氧化率分別為88.6%、92.1%.80.8%、80.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在pH=3～5 的弱酸環(huán)境下，PNP 氧化率的效果較好。

③停留時(shí)間

每10min 取樣測(cè)定系統(tǒng)PNP 氧化率。0-110min，PNP 氧化速率穩(wěn)定，符合函數(shù)y=-0.8091x+148.95，R2=0.9935（y 為PNP 濃度，mg/L；x 為時(shí)間，min），當(dāng)時(shí)間超過(guò)110min，氧化速率急劇下降，考慮系統(tǒng)反應(yīng)波動(dòng)性，采用120min 作為系統(tǒng)的停留時(shí)間。

2.2 三維電氧化法和二維電氧化法比較

電壓為10V、溶液pH 值為5，三維電氧化反應(yīng)發(fā)生器中添加1L 粒子電極，填充率29%，二維電氧化發(fā)生器中不添加粒子電極，反應(yīng)后對(duì)比結(jié)果。反應(yīng)120min后，三維電催化氧化PNP 氧化率達(dá)到88.0%，二維電催化氧化中PNP 反應(yīng)速率僅為63.3%。這是因?yàn)槿S電催化氧化發(fā)生器中粒子電極增加了反應(yīng)物和電極接觸面積，縮短傳質(zhì)距離，提高傳質(zhì)速率。

2.3 動(dòng)力學(xué)分析

三維催化氧化裝置中，電壓為10V，PH 值為5,粒子電極體積填充率為29%且未曝氣條件下，有機(jī)物PNP 降解結(jié)果為：120min，PNP 氧化率為88.0%，CODCr氧化率為61.8%；180min，PNP 氧化率為97.2%，CODCr氧化率為76.3%。根據(jù)結(jié)果，利用ln(P/P0)和ln(C/C0)分別對(duì)t 作圖，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合，得動(dòng)力學(xué)方程：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

①本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電催化氧化法可以氧化降解PNP，可作為工業(yè)處理對(duì)硝基苯酚廢水的一種有效方法。

②石墨為陰極，鈦涂二氧化釕為陽(yáng)極進(jìn)行二維電催化氧化，U=10V、pH=5，反應(yīng)110min，PNP 氧化率為60.7%，PNP 濃度與時(shí)間t 近似滿(mǎn)足一次動(dòng)力學(xué)方程。

③石墨為陰極，鈦涂二氧化釕為陽(yáng)極，粒子電極填充率為29%，進(jìn)行三維電催化氧化，反應(yīng)180min，PNP 氧化率為97.2%，CODCr為76.3%，ln(P/P0)和ln(C/C0)近似為一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

④相對(duì)于二維電催化氧化反應(yīng)裝置，三維電催化氧化反應(yīng)裝置中粒子電極增加了PNP 和電極的接觸面積，傳質(zhì)速率提高，進(jìn)而提高反應(yīng)效率，三維電催化氧化反應(yīng)速率約是二維反應(yīng)速率的1.4 倍。

⑤需要對(duì)三維電催化反應(yīng)的反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)粒子電極材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高有機(jī)物降解速率。