三维电极体系中粒子间的相互影响

汤亚飞，尹 蕾*，鲍仁冬，蔡俊雄

(1．武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉430074；2．中钢集团武汉安全环保研究院，湖北 武汉430081；3．湖北省环境科学研究院，湖北 武汉430072)

0 引 言

三维电极在废水处理效率及效果研究方面前人已做了很多工作.与二维电极相比，三维电极电流效率高、处理效果好[1]，已应用于酚水预处理[2-4]、染料纺织废水[5-7]等难处理有机废水中.三维电极在宏观上关于废水处理的报道很多[8-10]，但是对于粒子实际的工作状态、工作机理等微观方面的研究报道则相对较少.周定等[11]提出了复极性三维电极体系的电流模型，认为三维电极体系中在主极板电极产生的电场作用下，充填粒子之间为串联关系，充填粒子群犹如无数个电解槽串联后发生反应，使其处理效率成倍提高，首次提出可用模拟粒子测定粒子电流的方法，但未报道测量结果.罗劼[12]、鲍仁冬等[13]用两块小钛电极模拟粒子电极，测定了模拟粒子电流，研究了三维电极粒子电流的测定方法及填充粒子的工作机理.

目前关于三维电极粒子工作状态的研究仅仅停留在单个粒子电极上，为了使研究中的粒子状态更加接近实际体系，本文采用多个模拟粒子电极研究粒子间的相互影响，初步探讨工作机理.

1 实 验

本文中实验装置及模拟粒子的制作与文献[12、13]相同，其中电解槽的尺寸为17.5 cm ×8.5 cm ×9 cm，主极板的尺寸为16.5 cm ×8.3 cm，电解槽装置如图1所示，多个粒子在电解槽主极板垂直方向上以串联方式放置，模拟粒子的固定如图2所示.通过控制模拟粒子两极板间距来改变粒子大小，电解质溶液采用0.01 mol/L的硫酸钠溶液，采用VC97数字式测定仪来测定粒子电流及虚拟槽电压.模拟粒子在发生电化学反应的时候，其两端电势差为其电解提供动力，该动力即为该模拟电解槽的虚拟槽电压.虚拟电解槽在发生电解反应，内部产生电荷移动形成电流，即粒子电流.

图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental setup

2 结果及讨论

2.1 粒子数量的影响

固定粒子大小为1 cm，分别进行1个、2个和3个粒子的实验，测得不同主极板电压时的粒子电流和两端的虚拟槽电压，结果见图3和图4.

图2 模拟粒子实物图Fig.2 Physical map of the simulated particle electrode and electrolytic cell

图3 粒子电流与主极板电压关系Fig.3 The particle current and the main plate voltage

图4 粒子两端虚拟槽电压与主极板电压关系Fig.4 The virtual cell voltage across the particles and the voltage between the main plate

在实验过程中观察到：在控制主极板电压不变的情况下，①加入第2个粒子时，粒子1表面的气泡明显减少，此时粒子2表面气泡较多，反应较激烈.②在加入第3个粒子时，粒子1、粒子2表面气泡都减小，粒子3表面有较少气泡产生，反应相对较弱.

由图3、图4可知，在主极板电压相同时，随模拟粒子数量的增加，粒子的电流和两端虚拟槽电压明显减小，说明粒子之间相互影响较大.粒子的加入改变了溶液中的电位分布，使得粒子两端电势差降低，粒子电流也随之而减小，充填粒子间存在一定的负影响关系.

2.2 粒子大小的影响

实验采用3种粒子组合：1 cm +1 cm粒子,1 cm+2 cm粒子，1+3 cm粒子.测定1 cm粒子的电流和两端的虚拟槽电压，结果见图5和图6.

图5 1 cm粒子电流与主极板电压关系Fig.5 The current of 1 cm particle and the main plate voltage

图6 1 cm粒子两端虚拟槽电压与主极板电压关系Fig.6 The cell voltage across 1 cm particle and the main plate voltage

实验过程中观察到：在主极板电压相同的条件下，①随着与1 cm粒子串联放置的粒子粒径的增大，1 cm粒子表面产生的气泡越少，反应相对减弱.②且根据观察，粒径越大的粒子，表明产生的气泡越多，反应越激烈.

模拟粒子在发生电化学反应的时候，其两端电势差为其电解提供动力，该动力即为该模拟电解槽的虚拟槽电压.由图6可以清晰地看出，主极板电压相同时，充填粒子的加入会减弱原模拟粒子的电化学反应速率，且加入的粒子越大，对原粒子的影响越大.

2.3 粒子电流相互关系

实验采用3种粒子组合：1 cm粒子+1～3 cm粒子，测定不同组合中每个粒子的粒子电流及两端虚拟槽电压，结果见图7和图8.

由图分析可知，不同大小的粒子串联加入电解槽装置中时，各粒子电流并非等效串联关系.在同一主极板电压下，随着粒子粒径的增大，粒子两端虚拟槽电压随之增大，粒子电流也增大.粒子数量、大小均会对粒子电流产生一定的影响，综合这些因素可得出结论，在电化学反应器中充填粒子

图7 各粒子电流与主极板电压关系Fig.7 The current of particles and the main plate voltage

图8 各粒子两端虚拟槽电压与主极板电压关系Fig.8 The virtual cell voltage across the particles and the voltage between the main plate

必定存在着一个最佳比例.众多文献研究结果表明[14-16]，在电化学处理废水时，充填粒子量相比电化学反应器体积而言确实存在一定的最佳比例，在最佳比例下，废水处理效率最高.

3 结 语

a.在三维电极体系中，粒子间相互影响，随着数量的增加和粒径增大，粒子两端虚拟槽电压降低，粒子电流减小.

b.在同一体系中，大小不同的粒子串联放置于电解槽装置中时，充填粒子电流间并非等效串联的关系.

c.在电化学反应器中，粒子之间受数量、大小、间距等影响明显，从理论的角度分析粒子充填量应存在一个最佳填充比.

致 谢

感谢湖北省科技厅对本研究的资金资助！

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