三维电极法处理模拟制药废水研究

陈 武，许 畅，梅 平

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

三维电极法处理模拟制药废水研究

陈 武，许 畅，梅 平

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

利用三维电极处理模拟盐酸利多卡因和苯甲酸钠制药废水，单因素研究表明，主电极间距、电解时间、电解电压及处理废水量等因素都对三维电极处理模拟制药废水效率有显著影响；通过正交试验分别得到了三维电极处理模拟盐酸利多卡因废水、苯甲酸钠废水的最佳条件，在各自的最佳条件下，对利多卡因废水的降解率为62.55%、CODCr去除率为63.5%，对苯甲酸钠废水的降解率为59.40%、CODCr去除率为61.9%，且不同降解时间2种废水的紫外光谱发生了显著变化；动力学研究表明，三维电极降解利多卡因反应动力学表现为二级反应，降解苯甲酸钠的反应动力学表现为三级反应； 2种废水按不同比例混合后，在三维电极处理盐酸利多卡因的最佳条件下，混合废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠降解率分别提高到70.75%和61.65%，在三维电极处理苯甲酸钠的最佳条件下，处理效果均比单一废水时降解率降低。

三维电极；制药废水；盐酸利多卡因；苯甲酸钠

随着医药工业的发展，制药废水已成为亟待解决的问题之一[1]。制药工业废水主要包括抗生素生产废水、合成药物生产废水、中成药生产废水以及各类制剂生产过程的洗涤水和冲洗废水4大类[2]。制药废水具有组成复杂、有机污染物种类多、浓度高、毒性大、色度深和含盐量高等特点，体现在COD(化学需氧量)、BOD(生化需氧量)、SS(固体悬浮物)和TN(总氮量)高，且废水中的菌丝体、代谢产物等物质能够抑制好氧菌的生物活性，使其难以生物降解[2]。未经处理或处理未达到排放标准而直接进入环境，将严重污染环境。因此如何处理该类废水是当今环境保护的一个难题[3]。

电化学处理药物废水法是近年来逐渐热门的处理技术，它一般无需很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便，污泥量很少[4-5]。然而传统的平板二维电极面体比较小，单位槽体处理量小，电流效率低。针对这些缺陷， Bickhurst J R提出了三维电极的概念[6]，三维电极与传统的二维电极相比[7]，三维电极具有传质系数和电流效率高、电极比表面积大、无需加入大量导电电解质、氧化降解能力强、能耗低、易于操作和控制、绿色环保等优点[8]，从而使其在处理有机废水中的研究和应用具有极为重要的现实意义。下面，笔者对三维电极法处理模拟制药废水进行研究。

1 试验部分

1.1 药品与仪器

1)药品 盐酸利多卡因、重铬酸钾、浓硫酸、硫酸亚铁、硫酸亚铁铵、邻菲罗啉、硫酸银、硫酸汞(均为分析纯)。

2)仪器 电子天平、日本岛津UV-2450紫外可见分光光度计、高频直流稳压电源、主电极材料、粒子电极、自制电化学反应装置及其他实验室用玻璃仪器等。

1.2 试验方法

1)模拟制药废水 用自来水分别配制2000mg/L的盐酸利多卡因、苯甲酸钠模拟废水为研究对象，其初始COD分别为750.0、636.0mg/L。

式中，C表示溶液中盐酸利多卡因和苯甲酸钠的含量;R为相关系数。

试验过程中取一定量模拟废水用三维电极处理，取不同条件下处理后水样，测定残余的利多卡因、苯甲酸钠，计算出其降解率和CODCr去除率，并以此为依据评价三维电极的水处理效率。

2 结果与讨论

2.1 影响三维电极电解效率的单因素研究

以不锈钢做主电极，活性碳为粒子电极的三维电极电化学反应器处理盐酸利多卡因模拟废水，分别研究了电解电压、电解时间、处理废水量、主电极间距对三维电极去除盐酸利多卡因的影响。结果表明，主电极间距为4cm的时候，去除率最高为60.73%；电解电压对去除率的影响呈先促进后抑制的关系，在电压为40V时，去除率最高为63%；废水量对去除率的影响呈先促进后抑制的关系，废水量为440ml时，去除率最高为55.72%；在30～120min内，去除率随着时间的增加而增加。

表1 盐酸利多卡因电解条件L9(34)正交试验结果

表2 苯甲酸钠电解条件L9(34)正交试验结果

2.2 三维电极处理模拟废水最佳条件的确定

为了得到三维电极去除废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠的最佳条件，根据对影响三维电极电解盐酸利多卡因废水效率的单因素研究结果，确定以A(主电极间距,cm)、B(电解电压,V)、C(废水量,ml)、D(电解时间,min)为影响因素，设计了L9(34)正交表进行正交试验，结果分别如表1、表2所示。由表1可知，三维电极法降解盐酸利多卡因最佳条件为A1B2C2D2，即板间距2cm，电解电压40V，废水量440ml，电解时间90min；影响最大的因素是主电极间距，其次是电解时间；在此条件下，盐酸利多卡因的去除率为62.55%，废水COD由初始的750.0mg/L降低到274.0mg/L，COD去除率为63.5%。由表2可知，三维电极法降解苯甲酸钠最佳条件为A2B3C1D3，即板间距4cm，电解电压45V，废水量440ml，电解时间75min，影响最大的因素是主电极间距，其次是电解电压；在此条件下，苯甲酸钠去除率为66.07%，COD由初始的636.0mg/L降低到394.0mg/L，COD去除率为61.9%。表明三维电极去除废水中污物的最佳条件与污物的种类与结构有关。

2.3 模拟制药废水电解前后的光谱分析

为了弄清模拟废水中污染物浓度和变化与污染物质紫外吸收强度之间的关系，分别用三维电极处理模拟盐酸利多卡因废水、模拟苯甲酸钠废水的最佳条件下电解处理2种模拟废水，取原水及电解不同时间(0～210min)的样品分别测其光谱，结果分别如图1、图2所示。图1、图2表明，模拟盐酸利多卡因废水、模拟苯甲酸钠废水随着电解时间的增加，废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠的紫外吸收强度都下降，与前面试验的结果——随电解时间增加，三维电极对废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠的去除率增加是一致的，符合紫外吸收规律。

图1 不同处理时间模拟盐酸利多卡因废水紫外光谱 图2 不同处理时间模拟苯甲酸钠废水光谱

2.4 三维电极处理2种模拟废水动力学研究

为了解三维电极去除模拟废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠的速率及其规律，分别在上述得到的三维电极处理2种模拟制药废水的最佳条件下处理2种废水，取不同处理时间(t)的样品，分别测定处理后水中剩余的盐酸利多卡因、苯甲酸钠浓度，并假设三维电极降解利多卡因、苯甲酸钠的反应分别为零级、一级、二级和三级反应, 将测得的剩余浓度数据处理后与处理时间拟合得到其动力学方程, 结果如表3所示。由表3可知，三维电极降解利多卡因反应动力学表现为二级反应；三维电极降解苯甲酸钠的反应动力学表现为三级反应。表明三维电极降解同一浓度的不同污染物规律不同。说明三维电极降解污染物的动力学不仅与污染物的初始浓度有关[8]，而且与有机物种类有关。

表3 三维电极降解盐酸利多卡因、苯甲酸钠动力学分析方程

2.5 三维电极处理2种模拟混合废水研究

为了研究三维电极处理混合制药废水的效率，分别在三维电极处理模拟盐酸利多卡因废水、模拟苯甲酸钠废水的最佳条件下，利用三维电极处理按不同比例混合的模拟混合制药废水，结果如表4所示。由表4可以看出，在三维电极处理盐酸利多卡因的最佳条件下，2种模拟制药废水按1∶1混合时，盐酸利多卡因、苯甲酸钠去除率分别可达到70.75%和61.65%，均比两者单独在各自的最佳条件下处理时的去除率高，说明在此条件下两者混合有利于污染组分的去除。但在三维电极处理苯甲酸钠的最佳条件下，2种模拟制药废水按3种比例混合时，盐酸利多卡因、苯甲酸钠去除率均比两者单独在各自的最佳条件下处理时去除率低。因此，在三维电极用于实际污水处理时，还必须参照实验室结果探索最佳处理条件。

表4 2种最佳条件下处理不同比例混合废水效果

3 结 论

1)主电极间距、接触面积、电解时间以及电解电压等因素都对三维电极去除模拟制药废水效率有显著影响。

2)三维电极处理模拟盐酸利多卡因废水的最佳降解条件为：电极板间距2cm，电解电压40V，废水量440ml，电解时间90min，此时降解率为62.55%、CODCr去除率为63.5%；三维电极处理模拟苯甲酸钠废水的最佳降解条件为：电极板间距4cm，电解电压45V，废水量440ml，电解时间75min，此时降解率为59.40%、CODCr去除率为61.9%；不同降解时间废水的紫外光谱发生显著变化。

3)三维电极降解利多卡因反应动力学表现为二级反应；三维电极降解苯甲酸钠的反应动力学表现为三级反应。

4)在三维电极处理盐酸利多卡因的最佳条件下，按不同比例混合的废水中盐酸利多卡因、苯甲酸钠降解率分别提高到70.75%和61.65%；在三维电极处理苯甲酸钠的最佳条件下，不同比例混合废水，处理效果均比单一废水时降解率降低。在三维电极用于实际污水处理时，还必须参照实验室结果探索最佳处理条件。

[1]刘峰.综合制药废水生物处理工程化技术研究[D].长春：吉林大学，2008.

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[4]张月峰.电解-生化法处理制药废水研究[D].杭州：浙江大学，2002.

[5]付国徽.Fenton-生化处理组合工艺处理制药废水的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

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[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.006

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A

1673-1409(2012)10-N015-04