载铁活性炭颗粒电极降解氯霉素污染废水性能研究

李靖宇 王宪森 王晓林 赵淑雯 杨永俊 朱超胜*，2

(周口师范学院 化学化工学院，河南 周口 466000；2.周口市环境污染防治与修复重点实验室，466000)

1 引言

抗生素在许多领域中皆有使用，如医药、家畜养殖、鱼虾养殖等。传统氯霉素废水处理技术有物化法、化学法和生物法等[1]，这些处理方法具有能源消耗高和二次污染等缺点，所以新型氯霉素废水处理技术的研究工作显得越发重要。电化学技术具有设备简单、二次污染小等优势，属于友好型技术[2]，具备推广潜力[3]。基于活性炭颗粒电极的三维电化学体系中活性炭在电场作用下带电变成微电极[4]。本文采用浸渍法制备载铁活性炭，并将其用于三维电化学降解氯霉素体系中，充分利用活性炭疏松多孔、比表面积大的特点和铁对电化学反应的催化作用，提升氯霉素废水处理效果。

2 实验

2.1 试剂与仪器

仪器：液相色谱仪、多组输出直流电供应器、管式炉、pH计、分析天平。

试剂：颗粒活性炭、氯霉素、七水合硫酸亚铁、无水硫酸铵、浓硫酸、氢氧化钠。

2.2 实验方法

电化学降解氯霉素的实验装置如图1所示。电解槽150 mL，石墨片(2.5 cm×10.0 cm)作为阴极连接电源负极，网状Ti/RuO2-IrO2(2.5 cm×8.0 cm)作为阳极连接电源正极。第三电极颗粒载铁活性炭。阳极和阴极(主电极)两极板间彼此相距3.5 cm。准确称量1.0 g载铁活性炭装入80目滤网缝制的口袋中加入5枚玻璃球，将口袋完全浸入100 mL浓度为20 mg/L的模拟氯霉素污染废水中。准确称量0.7102 g无水Na2SO4加入到电解槽中，用玻璃棒搅拌至无水Na2SO4完全溶解后，采用H2SO4或NaOH溶液调节pH在2～6之间。连接电路，将载铁活性炭完全浸入氯霉素废水中，打开电源，调节恒定电压后，定时取样至加入200 μL甲醇的试管中，静置后分析。单因素试验时，每次控制一个变量，保持其他因素不变。

图1 实验装置示意图

3 结果与讨论

3.1 pH值对反应的影响

控制U=7 V，氯霉素浓度为20 mg/L及其他条件不变，将溶液pH分别设置为2、3、4、6、8。实验结果如图2所示：

图2 pH对氯霉素降解的影响

由图2可知，随着pH的增大，溶液中氯霉素的去除率明显下降。相同电解时间内，pH=3时，氯霉素的去除率最高。pH=2的曲线位于pH=3的曲线上方，原因是强酸条件下溶液中有较多的自由移动的离子和溶液中有电子，导致电解效率较高。在pH=3-8阶段中，随着pH的增大，降解效率明显降低。由此可知，氯霉素的降解效率随着反应的进行逐渐升高，排除强酸性离子、溶液中有电子的干扰外，可以清晰得到最适pH=3，该pH下的最佳降解效率可以达到75.17%。载铁活性炭体系在氧化120 min后，废水中氯霉素浓度可以降至2.6177 mg/L。

3.2 电压对反应的影响

考查电压对氯霉素去除率的影响，确定氯霉素浓度为20 mg/L，pH=3，其他条件保持不变。将电压分别设置为5 V、6 V、7 V、8 V、9 V，分析不同电压下氯霉素的去除率，实验结果如图3所示：

图3 电压对氯霉素降解的影响

由图3可知，在U=5 V～7 V阶段中，随着电压的增大，氯霉素降解效率明显得到了提高；在U=7 V～9 V阶段中，随着电压的增大，降解效率已经开始降低。由图中曲线的变化趋势可知，氯霉素的降解效率随着反应的进行逐渐升高，并且可以清晰得到最适电压为U=7 V，该电压下的降解效果最好。

3.3 活性炭耐受性对反应的影响

调节初始溶液pH=3，U=7 V，称量1.0 g载铁活性炭，其他条件不变。通过增加载铁活性炭的使用次数来分析活性炭耐受性对反应的影响。实验结果如图4所示：当使用两次时，去除效率曲线仍随着反应的进行呈上升的趋势，降解效率高达75%以上；当使用三次时，其降解效率仍保持较高水平，催化剂的效果没有因为重复使用而变差，效率依然高达75%以上；当使用第四次时，效率总体仍保持上升趋势，证明该材料重复性很高，减少了材料的损耗，具有良好的经济效益，可以应用于生活中的氯霉素有机废水降解。

图4 活性炭耐受性对氯霉素降解的影响

4 结语

载铁活性炭三维电极体系处理氯霉素废水速率快，效率较高，减少了材料损耗，不产生二次污染，具有一定的应用前景，通过调低pH值，控制合适的电压可以达到最佳的实验效果。体系的最佳实验条件为U=7 V，pH=3，去除率可以达到74.17%。载铁活性炭经4次重复使用，去除率仅降低2.66%，具有良好的耐受性。基于载铁活性炭的三维电化学体系是一种可行的氯霉素废水处理方法。