不同金属氧化物阳极组合降解苯酚过程比较分析

梁吉艳，邢德海，李丹，高陆璐

不同金属氧化物阳极组合降解苯酚过程比较分析

梁吉艳，邢德海，李丹，高陆璐

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870）

钛基氧化铱电极为代表的活性阳极析氧过电位低，钛基氧化铅电极为代表的非活性电极析氧过电位高。以钢板为阴极，选取了Ti/Ir-RuOx作为单一阳极类型和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2作为双阳极类型，对比处理苯酚模拟废水的效果，从电流密度、pH值、苯酚模拟废水初始浓度和电解质类型4个方面来比较对苯酚处理效果的影响。实验表明，在电流密度为10 mA/cm2、pH为7、苯酚模拟废水初始浓度为100 mg/L和加入少量NaCl为电解质的条件下，双阳极类型组合对苯酚模拟废水的处理效果要好于单阳极，去除率达到98%。

电催化氧化；阳极；苯酚

酚类废水多见于化工业产生之中[1]。因酚类物质毒性威胁水生生物的生长与繁殖，污染饮用水源，对水体可造成严重污染，含酚污水已被我国列为需重点解决有害废水之一[2]。目前，处理苯系废水的主要方法有臭氧氧化处理技术、光催化氧化处理技术、Fenton氧化处理技术、湿式催化氧化处理技术、超临界水氧化处理技术、高压脉冲等离子处理技术和电化学氧化处理技术[3-8]。其中，电化学氧化处理技术因具有处理效率高、设备简单、操作方便以及环境友好等优点，而受到广泛关注与应用[9]。

采用电催化氧化处理技术，以苯酚模拟废水为处理对象。以钛基氧化铱电极为代表的活性阳极具有析氧过电位低，在电化学氧化有机物过程中活性氧以“化学吸附”的形式存在于电极表面，对有机物呈部分氧化或化学转化作用等特点；以钛基氧化铅电极为代表的非活性电极具有析氧过电位高，在电化学氧化有机物过程中活性氧以“物理吸附”的形式存在于电极表面，活性氧的氧化活性高，对有机物呈彻底矿化的“电化学燃烧”作用等，分别进行单阳极与双阳极平行对比实验，从电流密度、pH值、苯酚模拟废水初始浓度和电解质类型4个方面来考察对苯酚处理效果的影响，进而得出单、双阳极电解装置在处理苯酚模拟废水上的差异。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

实验中用到的试剂均为分析纯，主要有苯酚、氯化钠、无水硫酸钠、甲醇、重铬酸钾、硫酸汞和硫酸银等；实验中用到的仪器主要有数显直流稳压电源、分析天平、磁力搅拌器、高效液相色谱仪、电热鼓风干燥箱、优普系列超纯水器等。

1.2 分析方法

本实验采用北京北分瑞利分析仪器责任有限公司生产的高效液相色谱仪（型号SY-8100）测量苯酚模拟废水的浓度。测定条件为：波长216 nm，流量1.0 mL/L，压力范围0~30 Pa,进样量40~60μL。

2 结果与讨论

2.1 电流密度对电催化降解苯酚效果的影响

取初始浓度为100 mg/L的苯酚模拟废水400 mL于电解槽中，以0.25 mol/L的硫酸钠作为电解质。苯酚模拟废水的初始pH值为7（无需调节），调节电极板间距为2 cm，调节直流稳压电源，分别使Ti/Ir-RuO单阳极和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2双阳极在电流密度为10、20、30 mA/cm2条件下进行平行对比实验。每组实验进行210 min，每隔30 min取一次水样，采用高效液相色谱仪测量苯酚浓度，具体结果如图1图2所示。

图1 不同电流密度对单阳极处理苯酚模拟废水的影响

图2 不同电流密度对双阳极处理苯酚模拟废水的影响

从实验结果可以看出，无论是单阳极还是双阳极氧化电解苯酚，苯酚的去除率在降解2 h后，都随着电流密度的增大而递增。加大电流密度，使电解槽溶液中电子传递速率得到了加强，提高了降解苯酚的速率；电流密度的增大，也加快了生成·OH的速率，从而加强了间接氧化苯酚的能力。但是电流密度过大，也会带来减少电极寿命、增加经济成本的弊端，综合考虑电流密度以10 mA/cm2为宜。不同的是，在电流密度为30 mA/cm2时，单阳极苯酚去除率为73.77%，双阳极苯酚去除率为94.58%，效果明显好于单阳极。这可能是双阳极加大了电极板的面积，使苯酚与电极更充分接触，羟基自由基的生成量也进而加大，从而加快了氧化速率。

2.2 初始pH对电催化氧化苯酚效果的影响

取初始浓度为100 mg/L的苯酚模拟废水400 mL于电解槽中，以0.25 mol/L的硫酸钠作为电解质，调节电流密度为10 mA/cm2，电极板间距为2 cm，调节模拟废水的pH值分别为4、7、10条件下进行Ti/Ir-RuO单阳极和Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2双阳极平行对比实验。每组实验进行210 min，每隔30 min取一次水样，采用高效液相色谱仪测量苯酚浓度，具体结果如图3图4所示。

图3 不同初始pH对单阳极处理苯酚模拟废水的影响

图4 不同初始pH对双阳极处理苯酚模拟废水的影响

从实验结果可以看出，无论是单阳极还是双阳极氧化电解苯酚，都是在初始pH值为7的情况下苯酚的去除率最高，处理效果最好。这可能是因为初始pH值过高会使·OH与HCO3-等中间副产物反应，从而与苯酚构成竞争关系，消耗·OH数量，进而降低苯酚降解效率；而初始pH值过低，则会造成电极表面氢的析出等副反应，这就使电流不能充分的用于降解苯酚。从实验的结果也可以看出，双阳极的处理效果也要好于单阳极。这可能是双阳极加大了电极板的面积，使苯酚与电极更充分接触，羟基自由基的生成量也进而加大，从而加快了氧化速率。

2.3 苯酚初始浓度对电催化氧化苯酚效果的影响

取苯酚模拟废水400 mL于电解槽中，以0.25 mol/L的硫酸钠作为电解质，调节电流密度为10 mA/cm2，电极板间距为2 cm，模拟废水pH为7，分别在苯酚初始浓度为100、200、300 mg/L条件下进行Ti/Ir-RuO单阳极和Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2双阳极平行对比实验。每组实验进行210 min，每隔30 min取一次水样，采用高效液相色谱仪测量苯酚浓度，具体结果如图5图6所示。

图5 不同苯酚初始浓度对单阳极处理苯酚模拟废水的影响

图6 不同苯酚初始浓度对双阳极处理苯酚模拟废水的影响

从实验结果可以看出，无论是单阳极还是双阳极氧化电解苯酚，苯酚的去除率都是100 mg/L＞50 mg/L＞200 mg/L，双阳极对苯酚的去除率达到98%，单阳极为49.86%，效果远好于单阳极。这可能是因为在电流密度固定的情况下，会在电极表面产生相对固定的氧化剂的量，此时苯酚初始浓度过大过小都会降低降解效率。

2.4 不同电解质对电催化氧化苯酚效果的影响

正取初始浓度为100 mg/L的苯酚模拟废水400 mL于电解槽中，调节电流密度为10 mA/cm2，电极板间距为2 cm，调节模拟废水的pH值为7，以0.25 mol/L的硫酸钠作为电解质，并在此基础上加入0.4 g NaCl进行Ti/Ir-RuO单阳极和Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2双阳极平行对比实验。每组实验进行210 min，每隔30 min取一次水样，采用高效液相色谱仪测量苯酚浓度，具体结果如图7图8所示。

图7 不同电解质对单阳极处理苯酚模拟废水的影响

图8 不同电解质对双阳极处理苯酚模拟废水的影响

从实验结果可以看出，无论是单阳极还是双阳极氧化电解苯酚，以NaCl为电解质电解苯酚效果要好于以Na2SO4为电解质，并且双阳极氧化苯酚的情况下更快达到去除率为100%。这可能是因为在以NaCl为电解质时，电解生成了Cl2和ClO-，两者都是强氧化剂，起到了间接氧化苯酚的作用，所以能在很短的时间内达到去除率为100%的效果。而双阳极由于加大了电极板的面积，羟基自由基的生成量加大，使苯酚与电极更充分接触，从而进一步加快了氧化速率。从实验中能闻到刺鼻的消毒水味道，可以证实确实产生了Cl2。

3 结论

在以Ti/Ir-RuO&Ti/PbO2作为双阳极和以Ti/Ir-RuO作为单一阳极分别氧化苯酚模拟废水的实验中，考虑到实际生产中的经济性和可行性，电流密度选为10 mA/cm2；模拟废水的初始浓度为100 mg/L时处理效果最好；初始pH值为7时要好于其他值，因此无需调节初始pH值；以NaCl为电解质对苯酚去除率与去除速率好于以Na2SO4为电解质；双阳极对苯酚模拟废水的处理效果好于单阳极，去除率高达98%。

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Comparative Analysis of Phenol Degradation by Different Metal Oxide Anodes

（Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870, China）

The overpotential for oxygen evolution of active anodes including Ti/Ir-RuOis low, while that of non active anodes including Ti/PbO2is high. In this paper, taking steel plate as cathode, Ti/Ir-RuOwas selected as the single anode type and Ti/Ir-RuOx&Ti/PbO2was selected as double anode type, treatment effect of phenol wastewater was compared, the Influence of current density, pH value, initial concentration of phenol wastewater and electrolyte type on phenol wastewater treatment was investigated. Experiments show that, when the current density is 10 mA/cm2, pH is 7, the initial concentration of phenol wastewater is 100 mg/L, under the condition of adding a small amount of NaCl as electrolyte, the removal efficiency of the double anode type is better than that of the single anode, and the removal rate is up to 98%.

Electrocatalytic oxidation; Anode; Phenol

TQ 032

A

1671-0460（2017）10-1984-03

辽宁环境科研教育“123 工程”（CEPF2014-123-2-4）; 辽宁省科学事业公益研究基金项目（2015003002）。

2017-03-13

梁吉艳（1976-），女，辽宁沈阳人，教授，博士，2009年毕业于东北大学安全技术与工程专业，研究方向：从事环保相关技术工作。E-mail：liangjiyan2005@126.com。