BDD电极电化学氧化处理印染废水
2021-02-02彭敏,彭羽
彭 敏,彭 羽
(1.四川建筑职业技术学院设备工程系,四川德阳 618000;2.西南交通大学生命科学与工程学院,四川成都 610000)
印染废水污染物成分复杂、浓度高、难降解等,如果未经有效处理就排放,会严重污染土壤和水环境,影响人体健康。随着人们环保意识的增强及国家排放标准的不断提高,传统的印染废水处理工艺难以满足要求,需要进行深度处理[1-2]。高级氧化法利用光、电、氧化剂等产生活性强的自由基(如·OH),将大分子有机污染物分解为小分子甚至H2O、CO2等无机物处理有机废水,氧化能力强、处理效率高、无副产物。高级氧化法包括电化学氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法、Fenton氧化法等[3-6]。电化学氧化法利用电化学产生的强氧化·OH无差别降解有机污染物,设备简单、易于规模化控制、无添加物二次污染,广泛应用于有机废水的处理[7]。硼掺杂金刚石膜(BDD)电极易产生羟基自由基、电化学势窗大、导电性能良好、背景电流低,对多种有机污染物均表现出良好的去除效果,受到广泛关注[8-9]。
本实验以实际印染废水为研究对象、COD去除率为考察指标,探究不同因素对BDD电极电化学氧化技术处理印染废水效果的影响。
1 实验
1.1 试剂与仪器
试剂:NaOH、H2SO4、K2Cr2O7(分析纯),印染废水(江苏某染料厂,初始pH 1,COD 5 100 mg/L,电导率1.24×102μS/cm)。
仪器:BDD电极(瑞士NeoCoat公司),钌铱电极、不锈钢电极(上海仙仁仪器仪表有限公司),N5772A型直流电源(安捷伦科技有限公司),PHS-3CW型pH计(上海般特仪器制造有限公司),DR6000型分光光度计(美国HACH公司)。
1.2 电化学氧化降解印染废水
以BDD电极为阳极,不锈钢电极为阴极,电极间距30 mm,浸没面积5 cm2,以直流电源连接两电极提供电能。将200 mL印染废水加入烧杯,放入磁力搅拌子后置于磁力搅拌器上,调整转速使溶液匀速转动。
1.3 测试
COD去除率:参照重铬酸钾法,采用快速消解法用分光光度计测定COD,COD去除率=(1-CODt/COD0)×100%,其中,COD0为印染废水的初始COD,CODt为t时刻印染废水的COD。
2 结果与讨论
2.1 降解时间
印染废水中含有大量难溶于水的有机污染物,电化学氧化过程中需要加入电解质以提高印染废水的导电性并降低反应过程中的能耗,选择Na2SO4作为电解质。为降低反应能耗,缩短反应时间,控制电化学氧化时间尤为重要。由图1可看出,在前20 min,COD去除率快速增加,随后增速放缓,90 min时COD去除率趋于平稳,进一步延长反应时间,COD去除率并无明显变化,因此设置反应时间为90 min。
图1 电化学氧化时间对印染废水COD去除率的影响
2.2 初始pH
由图2可以看出,初始pH为1时,电化学氧化对印染废水的COD去除率最高;随着pH增大,COD去除率呈现先降低后增加的趋势,在pH为7时,COD去除率最低,90 min时COD去除率仅为51.3%。不同pH条件下,COD去除率从高到低依次为强酸性、强碱性、中性。这是由于酸性条件下BDD电极的氧化电位更高,可电化学氧化生成SO4∙-;在碱性条件下,印染废水中的有机污染物以离子形式存在,有利于进一步降解[10]。由于印染废水的初始pH为1,后续实验不再对pH进行调节。
图2 初始pH对印染废水COD去除率的影响
2.3 电极材料
由图3可知,90 min时,BDD电极、钌铱电极电化学氧化的COD去除率分别为89.7%、51.4%,BDD电极的COD去除率明显高于钌铱电极。这是由于BDD电极为惰性电极,表面生成的·OH可直接氧化印染废水中的有机污染物,此外,·OH能够与溶液反应生成H2O2和O3等氧化剂,进一步提升对印染废水的降解能力。而钌铱电极电化学氧化产生的部分·OH与电极发生反应,减弱对印染废水的降解能力[11]。
图3 电极材料对印染废水COD去除率的影响
2.4 稀释倍数
由图4可知,随着反应时间的延长,COD去除率都呈上升趋势,在前20 min时上升明显,随后上升趋势变缓并最终趋于平衡。稀释1倍、2倍和4倍的COD去除率相差不大,考虑去离子水的消耗和总体处理效率,稀释倍数选择1。
图4 稀释倍数对印染废水COD去除率的影响
2.5 电解质浓度
由图5可知,COD去除率均在前20 min快速上升,随后上升趋势逐渐变缓。随着Na2SO4浓度增加,COD去除率逐渐增大,0.4 mol/L时达到最大,这是由于Na2SO4浓度较低时,随着浓度的增加,·OH数量增加,有利于印染废水COD的去除;进一步增加Na2SO4浓度后趋于饱和。另外,部分·OH与SO42-反应生成氧化能力较差的S2O82-,降低对印染废水的降解能力[9]。
图5 电解质浓度对印染废水COD去除率的影响
2.6 电流密度
由图6可以看出,随着处理时间的延长,COD去除率总体呈上升趋势,前20 min快速增加,降解效果明显,之后缓慢增加。20 mA/cm2时COD去除率最低,20 min时仅40.5%,90 min时也只有55.3%,这可能是由于电流密度较低时,·OH生成量较少,对印染废水的降解效果较差。随着电流密度的增加,COD去除率呈现先升高后降低的趋势,50 mA/cm2时COD去除率最高,20 min时为64.3%,90 min时达到89.7%。继续增加电流密度,COD去除率逐渐降低,这是由于电流密度过大,·OH被消耗,生成H2O2和O2,参与降解有机污染物的·OH量反而减少,降解印染废水的能力降低。
图6 电流密度对印染废水COD去除率的影响
3 结论
BDD电极比钌铱电极有更好的处理效果。在强酸或强碱环境下,电化学氧化处理印染废水效果更好。适宜的电解质浓度、稀释倍数和电流密度有利于提高电化学氧化处理印染废水的能力。在不调节pH、稀释1倍、电解质浓度0.4 mol/L、电流密度50 mA/cm2情况下,90 min时COD去除率达到89.7%。