Ti/IrO2-RuO2电极降解苯酚红废水

黄礼丽，何 平

（1.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646005；2.西南科技大学，四川 绵阳 621010）

随着工业和经济的快速发展，各种印染废水的排放给人类赖以生存的环境带来了巨大压力。苯酚红（Phenol Red，PR） 作为一种应用广泛的深红色粉末状染料，含有PR的废水毒性较大，降解困难，且随意排放，将严重破坏生态平衡，并导致生物基因突变[1]，因而需要采取适当方法处理。

传统的染料废水处理方法：物理法[2]、生物法[3]、物理化学法[4]、氧化法[5]等已不能满足排放要求。具有生物毒性的有机污染物可以采用电化学法处理[6]，新型电极材料，具有能耗小，电极稳定性良好，处理费用低等优点。目前，未见Ti/IrO2-RuO2电极电催化氧化降解PR废水的相关研究报道。

本文采用热分解法制备了Ti/IrO2掺杂RuO2电极，将此自制电极电催化降解苯酚红废水，并优化其降解条件。

1 实验

1.1 仪器与试剂

仪器：UV-2102 PCS型紫外/可见分光光度计，PHS-3C型pH计，DF1731SLL3A型DC电源，HJ-3型数显恒温磁力搅拌器。试剂：钛片，盐酸，草酸，乙醇，异丙醇，氯化铱，氯化钌，氯铂酸，苯酚红，硫酸钠，氢氧化钠，自制蒸馏水。

1.2 制备Ti/IrO2-RuO2电极

预处理Ti基底：用砂纸将3.0cm×2.0cm钛基底片打磨，至呈现金属光泽。将打磨后的Ti片放入15%HCl溶液中煮沸30min，用蒸馏水洗净。除油后的Ti片在20%的草酸溶液中煮沸刻蚀2h，此时其表面为凹凸不平的麻面状。预处理Ti片放入乙醇中保存备用。

制备电极：称取物质的量比为1∶1的IrCl3·3H2O和RuCl3·3H2O混合后，溶于异丙醇配制成涂刷液[7]，均匀涂刷在备用的Ti片上，置于95℃的干燥箱中干燥10min，立即转入450℃马弗炉中高温热分解15min，冷却。上述涂刷操作重复10次后，Ti片置于550℃马弗炉中煅烧1h，自然冷却后即制得Ti/IrO2-RuO2电极。

1.3 配制模拟废水

采用自制Ti/IrO2-RuO2电极对10mg·L-1的苯酚红模拟废水进行电催化氧化降解实验。

1.4 分析方法

利用紫外/可见分光光度计测试并计算苯系染料废水中有机物浓度。

2 结果与讨论

2.1 电解时间的影响

在恒定电流密度为15mA·cm-2，电解质质量浓度为4.0g·L-1，PR废水溶液起始pH=3，温度为20℃的条件下，检测PR浓度的变化，结果如图1所示。从图1中看出，随着电解时间的增加，PR的最大吸收峰（λ=434 nm） 逐渐减弱，且150min时最大吸收峰强度相较120min时减小并不大，说明此时碰撞因子已经及低，很难继续进行降解反应。因此，Ti/IrO2-RuO2电极电解PR废水的最佳电解时间为120min。

图1 电解时间对PR降解率的影响

2.2 电流密度的影响

电催化氧化过程中，电流密度（恒定电解质Na2SO4的浓度=4.0g·L-1，废水溶液起始pH=3，温度=20℃）对PR废水降解率的影响如图2所示。图2中显示，增加电流密度能明显提高废水中PR的降解效率。电流密度过小将导致不能得到较高的电解效率，但若电流密度过大，将造成多余电能用于析氧反应，违背节能理念。综合来看用Ti/IrO2-RuO2电极电催化氧化降解PR废水时，最佳电流密度为15mA·cm-2。

2.3 电解质浓度的影响

图2 电流密度对PR降解率的影响

图3 电解质浓度对PR降解率的影响

在恒定电流密度为15mA·cm-2，废水溶液起始pH=3，温度为20℃的条件下，不同Na2SO4浓度对PR废水降解效率的影响见图3。图3中显示，电解质增加到6.0g·L-1时， PR降解率明显有很大提高；但当电解质浓度继续增大，PR废水的降解率却减小。虽然Na2SO4浓度在一定范围内增加可以有效提高电解质溶液的电导率，减少析氧副反应，促进电解反应的进行；但是随着电解质浓度增加，SO42-易吸附在电极的表面，电极的活性降低，降解率亦减小。因此，Ti/IrO2-RuO2电极电化学处理PR废水时，最佳的电解质浓度为 6.0g·L-1。

2.4 废水溶液pH值的影响

电流密度为15mA·cm-2，电解质Na2SO4浓度为4.0g·L-1，温度为20℃的条件下，PR废水的初始pH值，对PR降解率随时间的变化如图4所示。图4中看出PR废水降解率效果与溶液初始pH值关系密切，pH=7时，PR降解率最高。这是因为有机物的降解是通过与·OH反应进行的，而pH较小有利于·OH的生成，从而使反应速率加快。但是，虽然在酸性环境下，反应速率快，但电极稳定性变低，反而使PR废水降解效率降低。故此pH=7时为电化学处理PR废水的最佳条件。

图4 溶液初始pH值对PR降解率的影响

2.5 温度的影响

在恒定电流密度为15mA·cm-2，电解质浓度为4.0g·L-1，pH=3的条件下，不同温度下电解PR废水降解率的影响如图5所示。图5中看出，温度的升高有利于PR的电催化氧化降解。但综合考虑电极稳定性能耗等方面因素，Ti/IrO2-RuO2电极降解PR废水的最佳温度为40℃，PR废水降解率为74.5%。

图5 反应温度对PR降解率的影响

3 结论

利用热分解法制备的Ti/IrO2-RuO2电极对模拟PR废水进行电催化氧化降解，最佳降解条件如下：电流密度15mA·cm-2、电解质Na2SO4浓度6.0g·L-1、废水溶液起始pH=7、反应温度40℃，电解120 min后PR废水降解率为74.5%。结果表明，Ti/IrO2-RuO2电极对苯酚红废水具有较好的降解效果。