探究影响电化学方法降解酸性艳绿染料废水效果的因素

方良充

（广东省循环经济和资源综合利用协会，广州 510095）

随着染料与印染工业的发展，其生产废水已成为当前最主要的水体污染源之一。由于这类废水成分复杂，往往含多种有机染料及其中间体，色度深，毒性强，难降解，pH值波动大，组分变化大，浓度高，水量大。我国是染料生产大国，染料产量占世界的60%左右。然而，在染料生产过程中，每生产1 t染料，将有2%的产品随废水流失，而在印染过程中损失更大，为所用染料的10%左右[1]。这不仅造成了极大的经济损失，也给环境带来了严重的污染。一般染料废水的COD高，而BOD/COD（可生化性指标）值较小，可生化性差、色度高、酸碱性强、含盐量高、组分复杂、毒性强。近年来，染料朝着抗光解、抗热及抗生物氧化方向发展，使其处理难度加大。目前，染料废水处理主要方法有物理化学法、电化学法和生化法等。本文仅介绍电化学法。

1 电化学法概述

电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种。直接氧化是指被氧化物和电极基本直接进行电子传递的氧化方法，可以将有毒物质转变为无毒物质，分为两类进行：一是电化学转化，把有毒物质转变为无毒物质，或把非生物相容的有机物转化为生物相容的物质；二是电化学燃烧，可直接将有机物深度氧化为CO2和H2O。间接氧化则是利用电化学反应产生的氧化剂氧化被氧化物的方法，即氧化剂是被氧化物质与电极交换电子的中介体。当电化学反应体系中含有Cl-时，它可以产生新生态的氯或进一步形成次氯酸根，从而使水中的有机物发生强烈的氧化降解。

在直接或间接氧化过程中，一般都伴有析出H2或O2的副反应，但通过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。本试验处理酸性艳绿染料废水的反应过程如下。

在阳极上析出氯气和氧气，反应如式（1）、式（2）所示。

在水中发生下列反应，如式（3）、式（4）所示。

反应生成的ClO-又可在阳极氧化生成氯酸和氧气，如式（5）所示。

阳极反应产生的HClO3又与废水中有机物发生化学氧化反应，最终生成CO2和H2O。

2 试验部分

2.1 试验主要试剂与仪器（见表1、表2）

表1 试验试剂

表2 试验仪器与设备

2.2 试验方法与步骤

表3 化学试剂的称取

不同化学试剂的称取量如表3所示。0.1 g/L染料浓度溶液的配制方法为：用电子天平准确称取所需质量的酸性艳绿染料0.1 g，溶于1 000 mL的烧杯中，用量筒准确量取1 000 mL水并加入烧杯中，一边搅拌一边加水，均匀溶解后待用。

图1 酸性艳绿染料废水电化学降解装置

试验装置如图1所示，将500 mL酸性艳绿染料废水加入到容积为500 mL的电解槽内，采用无隔膜式电解槽，阳极采用了钛棒，阴极采用钛网，极间距50 mm，磁力搅拌。在一定的电流密度下开始电解，在不同的电解时间取样，测定样品的色度、pH值。

2.3 分析方法

根据《水质 色度的测定》（GB11903-89），测定方法选用稀释倍数法。脱色率（%）=（电解前色度-电解后色度）÷电解前色度×100%。废水的pH的测定方法为用精密实验室pH计测定并记录。

2.4 酸性艳绿染料废水的水质状况（见表4）

表4 酸性艳绿染料废水的水质状况

2.5 试验数据的记录、计算以及分析

2.5.1 时间对酸性艳绿染料废水脱色的影响

反应是在电流密度为2.5 A/dm2，阳极采用了钛棒，阴极采用钛网，取酸性艳绿染料废水500 mL，电极之间的距离为50 mm，并加入10 g的NaCl作为20.0 g/L电解质，进行废水电化学氧化降解的试验，电解时间为25 min，每隔5 min取一次样，用稀释倍数法测得染料废水的色度。试验结果如表5所示，染料废水的脱色率随电解时间的变化曲线如图2所示。

表5 电解时间对酸性艳绿染料废水脱色的影响

图2 电解时间对酸性艳绿染料废水脱色率的影响

由图2可知，电解的初期阶段，酸性艳绿染料废水的脱色率随着电解时间的增加明显变大，10 min后废水脱色率达到70%，其间，电解反应速率比较快，这是因为酸性艳绿染料废水在初始时，体系中酸性艳绿染料的浓度高，能够很快地扩散到电极表面发生反应。在10～25 min中，钛网、钛棒的表面逐渐生成一层氧化膜，反应接触的面积减少，所以这段时间反应速率慢慢下降，虽然体系中酸性艳绿染料的浓度降低，但是脱色率还是呈现上升的趋势。氯化钠浓度为20.0 g/L时，反应的第一阶段在0～10 min时，其间染料废水的色度由原来的856倍降为256倍，废水的脱色率达到70%，色度明显下降；电化学降解时间在10～25 min时，废水的色度由256倍降到128倍，其相应的脱色率从70%升到85%，在这个阶段，脱色率变化明显变慢。

2.5.2 电解时间对酸性艳绿染料废水pH的影响

当电流密度为2.5 A/dm2时，阳极采用钛棒，阴极采用钛网，极间距为50 mm，取500 mL酸性艳绿染料废水进行电解，并加入10 g的NaCl作为20.0 g/L电解质，反应电解的时间分别是0 min、5 min、10 min、15 min、25 min，在不同的时间点去除25 mL的废水测试其pH，试验结果如表6所示，废水的pH随电解时间的变化曲线如图3所示。

表6 电解时间对酸性艳绿染料废水pH的影响

图3 电解时间对酸性艳绿染料废水pH的影响

由图3可知，染料废水的起始pH为6.71，终点pH为7.48。反应在NaCl质量浓度为20.0 g/L的作用下，随着时间的推移，进行的反应pH也随之发生变化。在电解时间0～20 min的范围内，废水的pH变化比较平稳，此时的pH逐渐升高，略显弱酸性，趋近于中性；在电解时间为20 min左右时，废水的pH最接近中性；在20～25 min的范围内，染料废水的pH变大，显弱碱性，此时的pH变化相对较大。综合能耗与电解后pH等因素来考虑，处理500 mL酸性艳绿染料废水的最佳电解时间为20 min。

2.5.3 电解质种类对酸性艳绿染料废水脱色的影响

分别用两个500 mL的烧杯取500 mL的酸性艳绿染料废水于烧杯内，其浓度为0.1 g/L，极间距为50 mm，电流密度为2.5A/dm2，电解质分别为NaCl、Na2SO4，其浓度均为20.0 g/L，在电解反应25 min后分别取样测试其色度。试验结果如表7所示。

表7 电解质种类对酸性艳绿染料废水脱色的影响

从表7可知，当电化学氧化降解酸性艳绿染料废水的电解质分别为NaCl和Na2SO4，它们的浓度都为20 g/L，其他条件相同时，它们的脱色率相差不大，前者比后者的脱色效果好。电解质为NaCl时，电解酸性艳绿染料废水，反应在25 min后，废水色度从原来的856降到128，废水的脱色率达到85%；而电解质为Na2SO4时，酸性艳绿染料废水在反应25 min后，其色度从原来的1 024降到160，而脱色率为84%。造成这样结果的原因在于酸性艳绿染料的分子结构相对稳定，氯离子或其他离子对其电解效果影响不大。

但是从节能减排、可持续发展、降低废水处理成本等角度来看，NaCl电解质比Na2SO4电解质好，其来源更广，价格更低，故选择NaCl作为电化学氧化降解酸性艳绿染料废水的电解质比较合适。

3 结论

通过开展电化学氧化降解酸性艳绿染料废水的试验，笔者整理并分析了试验数据，得出以下结论：

以NaCl为电解质、极间距为50 mm、电流密度为2.5 A/dm2，染料废水初始浓度为0.1 g/L的反应条件下，电化学氧化降解反应随着电解时间增加而进行，染料废水的色度逐渐降低，从856降到128，脱色率增大，在反应进行20 min时，其脱色率达到85%，其中，电解反应在0～20 min时，其脱色率与电解时间成正比，但在20 min以后，脱色率基本不变。故电解反应的最佳反应时间是20 min左右。

从pH的数据变化可以看出，随着反应时间的增加，pH逐渐增加，从6.71增加到7.48，其中在20 min时，废水溶液基本趋于中性。故电解反应的最佳反应pH应该为7.0左右，此时电解时间为20 min。

用相同浓度的NaCl和Na2SO4作为电解质，笔者对比了不同电解质对酸性艳绿染料废水脱色的影响。结果表明，在对比试验中，酸性艳绿染料废水的脱色效果相差无几，但NaCl作为电解质的效果比Na2SO4好，从处理成本和来源等方面综合分析，NaCl是电化学氧化降解酸性艳绿染料废水试验的最好电解质。

1 胥维昌.染料行业废水处理现状和展望[J].染料工业，2002，39（6）：35-39.