三维电极法处理六硝基茋生产废水

任雅琴，李 峰，李瑞博，朱晓宏

（1. 兰州大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730000；2. 中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051）

六硝基茋（HNS）是一种具有较高能量和良好爆炸性能的低感度耐热单质猛炸药［1］。HNS生产废水具有成分复杂、COD高、毒性大、色度高和排放量大等特点，是较难处理的废水之一［2］。电化学法具有易于控制、易建立密闭循环和无二次污染等优点［3］，被称为清洁处理法或环境友好技术［4］，在废水处理领域越来越受到人们的重视［5-7］。三维电极法是一种新型的电化学法，它是在传统二维电解电极间装填粒状或其他碎屑状工作的电极材料，使其表面带电，成为新的电极，从而大幅增加工作电极的比表面积，减小反应物迁移的距离，提高电解效率［8-10］。该法具有电流效率高、处理效率高和无二次污染等优点，常被应用于去除废水中的有机污染物［11-21］。

本工作以不同初始COD的HNS生产废水为处理对象，通过单因素实验和正交实验优化了三维电极法处理HNS生产废水的工艺条件，考察了最佳工艺条件下的废水处理效果。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

废水为山西某火炸药厂的HNS生产废水，COD=312 000 mg/L，色度为37 500倍，pH=5。

浓硫酸（98%（w））、无水硫酸钠、氢氧化钠：分析纯； 颗粒状活性炭：工业级； 玻璃珠；蒸馏水。

CS型电化学工作站： 武汉科思特仪器有限公司； JB-3型定时恒温磁力搅拌器：上海雷磁新泾仪器有限公司； PG4002-SDR型电子天平： Mettler Toledo仪器有限公司； DF-1型恒温电加热器：上海楚波实验室设备有限公司。

1.2 实验方法

采用500 mL烧杯作为电解槽，阴极为Ti板，阳极为Ti/IrO2-Ta2O5电极，每块电极尺寸均为40 mm×30 mm ×3 mm，阳极和阴极与电化学工作站相连，电极间距可调，在电解槽内设置磁力搅拌器。将活性炭用浓硫酸和氢氧化钠溶液清洗后，在蒸馏水中浸泡24 h后烘干。称取一定量的活性炭置于废水中浸泡直至其达到吸附平衡，排出废水。

将400 mL经稀释的一定初始COD的废水加入电解槽中，调节电解槽中硫酸钠的质量浓度，加入一定量的m（玻璃珠）∶m（活性炭）（活性炭的质量为5.0 g），调整极板间距，在电极上施压，进行电解反应，测定电解反应后出水COD，计算COD去除率。

1.3 分析方法

采用重铬酸钾法测定COD［22］。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 极板间距对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸钠）=500 mg/L、电解电压8 V、电解时间4 h的条件下，极板间距对COD去除率的影响见图1。由图1可见，随极板间距的增大，COD去除率逐渐降低。这是因为，相同的电压条件下，极板间距越小，则极板间溶液的量越少，极板间电阻越小，电容越大，电极所能提供的反应电子数量越多，COD去除率也就越大。但极板间距太小时会导致电场过强，通电瞬间可能引起电场击穿，降低电极的使用寿命。因此，选取极板间距为5，10，15 mm进行正交实验。

图1 极板间距对COD去除率的影响

2.1.2ρ（硫酸钠）对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、电解电压8 V、极板间距5 mm、电解时间4 h的条件下，ρ（硫酸钠）对COD去除率的影响见图2。由图2可见：随ρ（硫酸钠）的增加，COD去除率逐渐提高；当ρ（硫酸钠）>500 mg/L时，COD去除率的增幅趋缓。综合考虑，选取ρ（硫酸钠）为250，375，500 mg/L进行正交实验。

图2 ρ（硫酸钠）对COD去除率的影响

2.1.3 电解电压对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸钠）=500 mg/L、极板间距5 mm、电解时间4 h的条件下，电解电压对COD去除率的影响见图3。由图3可见：随电解电压的升高，COD去除率逐渐升高；当电解电压高于8 V后，COD去除率的增幅减缓。这是因为，电解电压越高，则填充粒子被复极化的强度越高且数量越多，形成的微电极就越多，电解反应面积越大，COD去除率就越高。因此，选择电解电压为8 V较适宜。

图3 电解电压对COD去除率的影响

2.1.4 电解时间对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ（硫酸钠）=500 mg/L、极板间距5 mm、电解电压8 V的条件下，电解时间对COD去除率的影响见图4。由图4可见：随电解时间的延长，COD去除率逐渐升高；电解时间超过4 h后， COD去除率的增幅趋缓。因此，选择电解时间为4 h较适宜。

图4 电解时间对COD去除率的影响

2.2 正交实验

在单因素实验的基础上，采用4因素3水平正交实验确定三维电极电解HNS生产废水工艺中初始废水COD、ρ（硫酸钠）、极板间距、m（玻璃珠）∶m（活性炭）4个工艺参数的最佳实验条件，并考察不同工艺参数对COD去除率的影响。各因素的水平已由单因素实验确定，而m（玻璃珠）∶m（活性炭）的水平则通过相关报道［23-24］确定为1∶1，1∶2，1∶3。正交实验因素水平见表1，正交实验结果见表2。由表2可见，在选定的参数范围内，极板间距对COD去除率的影响最大，其次是初始废水COD、ρ（硫酸钠）和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。最优方案为A1B3C3D3，即三维电极处理HNS生产废水的最佳工艺条件为：极板间距5 mm，初始废水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸钠）=500 mg/L。在此最佳工艺条件下，废水COD去除率为36.5%。

表1 正交实验因素水平

表2 正交实验结果

3 结论

a）以Ti板为阴极、Ti/IrO2-Ta2O5电极为阳极，采用三维电极法处理HNS生产废水，通过单因素实验确定的最佳工艺条件为电解电压8 V、电解时间4 h。

b）正交实验结果表明，极板间距对COD去除率的影响最大，其次是初始废水COD、硫酸钠质量浓度和m（玻璃珠）∶m（活性炭）。优化的工艺条件为：极板间距5 mm，初始废水COD=3 120 mg/L，m（玻璃珠）∶m（活性炭）=1∶3，ρ（硫酸钠）=500 mg/L。在此最佳工艺条件下，废水COD去除率为36.5%。

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