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电催化氧化降解含酚工业废水实验研究

2014-05-14罗胜铁

唐山学院学报 2014年3期
关键词:电催化隔膜电流密度

罗胜铁,沈 丽

(唐山学院 环境与化学工程系,河北 唐山063000)

含酚废水主要来自焦化厂、煤气厂、石油化工厂等工业部门,以及石油裂解制乙烯、合成苯酚、聚酰胺纤维、有机农药和酚醛树脂等生产过程。酚类化合物是我国优先监测的持久性有机物,已经被列入具有致癌性单环芳烃之列。

目前,含酚废水的处理技术有生物法、物理法和化学法。含酚废水处理技术的选择取决于含酚废水中的酚浓度、COD值及其他因素如处理费用等[1-3]。电化学法是近年来发展起来的一种高效的水处理新方法。其特点是在同一水处理设施中可能同时完成电凝聚、电气浮、电吸附、电催化氧化和还原等多种净化过程,具有效率高、用地省、产生污泥少、便于控制等优点,因此引起了广大水处理工作者的关注[4-7],此方法为污水资源化提供了一条新思路。本实验拟通过电催化氧化技术对含酚工业废水进行处理,考察废水中COD的去除效果。

1 电极材料与实验方法

1.1 废水水质

实验用含酚废水取自唐山市某焦化厂,废水COD约为1 400 mg/L。

1.2 电极的选择和制备方法

电极在电化学处理技术中处于“心脏”的地位,电极的电催化特性是电催化技术的核心内容,提高电极的特性即希望电极对目标有机物表现出高的反应速率,并且有好的选择性。电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素,不同的电极材料会使反应速度发生数量级的变化。改变电极材料的性质,可以通过变换电极基体材料来实现,也可以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性来实现[8-9]。

本实验选用PbO2电极为阳极,自制C/PTFE氧还原电极为阴极,研究其对含酚废水的处理性能。

C/PTFE氧还原阴极的制备方法如下:将一定质量的石墨粉和聚四氟乙烯乳液(PTFE)用无水乙醇混合,超声搅拌20 min,使石墨和PTFE分散均匀,然后在恒温水浴(60~80℃)中不断搅拌,直至混合成凝聚膏体,将凝膏体辊压制成厚约0.2 mm的碳膜,再将压好的两片碳膜附着在不锈钢网上,用液压机将碳膜和不锈钢网复合好,将复合好的电极用蒸馏水煮沸0.5 h,然后在90℃干燥2 h备用。

1.3 电解体系隔膜的选择

多数电化学反应器都使用隔膜来分隔阳极和阴极区间,防止两极产物混合,以及在电极表面或溶液中发生副反应或次级反应,避免影响产物纯度、收率和电流效率,甚至造成危及安全的事故。本实验选用隔膜电解体系是基于如下两点考虑:

(1)根据阴、阳极氧化机理,阴、阳极分隔开后,阳极呈强酸性,阴极呈强碱性,从而使溶液中离子总数增多,导电能力增强,减少了电解质的投加量,同时创造有利于有机物降解的反应条件。

(2)应用隔膜分开阴、阳极后,可以通过分析阴、阳极反应液探讨其反应机理。

本实验综合考虑了常用的几类隔膜如石棉隔膜、陶瓷隔膜、离子交换膜、涤纶、棉布等的特点,最终采用价廉的涤纶滤膜作为电解体系的隔膜。

1.4 实验方法

实验采用阴、阳极同时作用降解含酚工业废水,测定COD的去除率。COD检测方法采用重铬酸钾法。

1.5 实验装置

实验装置见图1所示。自制有机玻璃电解槽(60 mm×45 mm×80 mm),有效容积为130 mL,阴阳极室体积比为1∶1。采用PbO2电极为阳极,自制的C/PTFE氧还原电极为阴极,极间距为0.5 cm,阳极和阴极的有效面积均为34 cm2,在电解槽内放置涤纶滤膜。

图1 电解实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 最佳反应时间的确定

在电流密度30 m A/cm2下,在阴、阳极室曝气量为1.8 L/min条件下,考察含酚废水COD去除率随反应时间的变化情况,如图2所示。

由图2可知,含酚废水经阴、阳极电催化氧化作用降解程度较大,COD去除率随电解时间的延长逐渐升高,阴极室在80 min时COD去除率达到80%以上。在80 min以后,COD去除率变化趋于平缓。因此确定最佳反应时间为80 min。

2.2 曝气量影响

在电流密度30 m A/cm2,反应时间80 min条件下,考察曝气量对含酚废水COD去除率的影响。如图3所示。

图2 反应时间对含酚废水COD去除率的影响

图3 曝气量对含酚废水COD去除率的影响

由图3可知,含酚废水在曝气量为1.2 L/min的条件下,COD去除率达到最大。同时阴极室中COD去除率效果明显高于阳极室。分析其原因是由于阴极室在碱性条件下H2O2能进一步产生HO·和O2·自由基,它们对有机物氧化能力要高于阳极室直接和间接的氧化能力。

2.3 电流密度影响

在曝气量为1.2 L/min,反应时间为80 min条件下,考察电流密度大小对含酚废水COD去除率的影响,结果见图4。

图4 电流密度对含酚废水COD去除率的影响

由图4可看出,阴、阳极室COD去除率随电流密度的升高而增加,且随着电流密度增加,COD去除率变化趋于平缓。电流密度升高,意味着电子传递速度增加,从而提高了电极反应速率,所以COD去除率得到提高;而电流密度过大将降低电流效率,电流密度过小又影响自由基的生成速率和COD的降解速率,所以实验中合适的电流密度为30 mA/cm2。

3 结论

(1)在涤纶隔膜电解体系中,阴、阳极室同时电催化氧化降解含酚工业废水取得了较好的效果。COD去除率随电流密度增加而升高,在反应时间80 min,曝气量1.2 L/min,电流密度30 m A/cm2的最佳条件下,含酚废水COD去除率可达到80%,COD去除率阴极室较好于阳极室。

(2)利用氧阴极还原生成强氧化剂H2O2,可以氧化降解废水中的有机污染物,不需要另外加入其他氧化剂,不产生二次污染。

(3)通过电催化反应器设计、阴极材料的研制与优选,可以实现利用电催化活性的PbO2阳极的氧化作用和氧阴极还原产生的氧化剂的强氧化性共同降解废水中的有机污染物,从而提高降解有机污染物的电流效率,降低能耗。

[1] 刘江永.工业含酚废水处理的研究进展[J].河南化工,

(2)利用氧阴极还原生成强氧化剂H2O2,可以氧化降解废水中的有机污染物,不需要另外加入其他氧化剂,不产生二次污染。

(3)通过电催化反应器设计、阴极材料的研制与优选,可以实现利用电催化活性的PbO2阳极的氧化作用和氧阴极还原产生的氧化剂的强氧化性共同降解废水中的有机污染物,从而提高降解有机污染物的电流效率,降低能耗。

参考文献:

[1] 刘江永.工业含酚废水处理的研究进展[J].河南化工,2010,27(2):25-31.

[2] 林华宝.含酚废水治理技术现状与展望[J].化学工程与装备,2010(7):131-133.

[3] 于萍,姚琳,罗运柏.高浓度含酚废水处理的新工艺[J],工业水处理.2002,22(9):5-8.

[4] 汪定国,王建飞,李炳华.电催化氧化法处理生活污水研究[J].环境工程,2007,25(3):29-31.

[5] 司银平,张震.电化学催化氧化降解含酚废水的研究进展[J].化学研究,2009,20(4):98-102.

[6] 林少琴,陈玉峰,郑曦,等.电催化氧化降解酚类废水的研究[J].福建师范大学学报:自然科学版,2005,21(3):22-26.

[7] 周明华,吴祖成,汪大翚.不同电催化工艺下苯酚的降解特 性 [J].高 等 学 校 化 学 学 报,2003,24(9):1637-1641.

[8] 温青,张宝宏,殷金铃,等.掺杂PbO2/Ti电极的制备及电催化性能分析[J].大庆石油学院学报,2006,30(3):69-71.

[9] 杨雅雯,康爱彬,余伟发,等.钛基氧化物涂层电极在污水处理方面的实验研究[J].环境工程学报,2009,3(3):470-474.

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