三维电极－电Fenton耦合法降解废水中罗丹明B

黔东南州生态环境局天柱生态环境监测中心 蒋荣琼

1 引言

当前，电化学方法在有机废水处理上已经广泛应用，无论是国内还是国外，都已经对电化学的催化材料、反应工艺，以及电极材料都大量的探索研究。三维电极－电Fenton 耦合法是一种能产生·OH 自由基电化学技术，·OH自由基团具有氧化能力强、自由基氧化彻底、自由基选择性小、反应速率高、容易控制和使用灵活等优势。该方法在降解低浓度和难降解的有机污染废水中有广泛的应用前景。

罗丹明B 分子式：C28H31ClN2O3，是一种通过人工合成的鲜桃红色染料。易溶于水和乙醇，经常用于做试验中细胞的荧光染色剂、也广泛应用于有色玻璃、特种烟花等行业。但2017年10月，世界卫生组织国际癌症研究机构在公布的致癌物清单初步整理参考中，将罗丹明B 例入在三类致癌物。

本文将阐述利用三维电极－电Fenton 耦合法对罗丹明B 有机废水进行电化学降解。使得有机污染废水得以快速、高效的降解。

2 试验方法

2.1 模拟废水水质

试验采用模拟的有机废水为罗丹明B 溶液。即罗丹明B 溶液的浓度为30mg/L，pH 调至中性，样品在低温、黑暗条件下保存。实验温度均为室温，实验中使用的水均为蒸馏水。

2.2 实验装置及方法

试验反应装置为自行设计装置，整个电化学反应装置系统由直流稳压电源、电解槽、曝气装置、电极及其附属件组成[2-3]。电解槽采用无隔膜薄壁500ml 的方形玻璃杯，试验时将经过预处理过的多孔活性炭加入电解槽，形成第三电极。试验装置如图1所示。

图1 试验装置图

试验中采用的电极材料，在反应前先用浓硫酸等预处理。极板的有效面积为5cm×4cm，在反应容器电解槽里添加的活性炭颗粒也经模拟废水完全浸泡直至吸附饱和。在电解槽中加入待测废水400ml，接通电源后，通过控制不同变量，进行电化学反应。反应开始后，每次间隔10min 取样10ml 左右的溶液，经0.45μm 滤膜过滤，在波长为200～600nm进行光谱扫描，得出罗丹明B 光谱扫描的特征得出吸收峰在544nm 处，再以544nm 为吸收波峰值，作出的罗丹明B 的标准曲线，再根据标准曲线，计算出实验过程中的降解浓度。

3 降解模拟有机废水的试验

本文将阐述采用三维电极－电Fenton 耦合法对模拟有机废水进行实验降解。在不同活性炭加浓度、不同电极材料、不同电压、模拟废水pH、电极板间距、不同电流、不同初始浓度等情况下对有机废水的降解程度进行探究。

3.1 不同活性炭量浓度对降解效果的影响

在试验中，以不锈钢为阳、阴电极，电压15V，pH 值为7，电流3A，电极间距3.0cm，保持一定的曝气速率的条件下，在反应器中分别加入3g、4g、5g、6g、7g、8g、10g 的经预处理的活性炭，对30mg/L 浓度的罗丹明B 模拟废水进行三维电极－电Fenton 耦合法电化学降解反应。

试验以得出：活性炭的加入量为5g 比加入量为6g 的去除效率少5%，而加入量为6g 与比7g 去除效率仅仅提升1%，实验表明：在模拟有机废水中添加活性炭导电粒子，可以增加第三电极数量，增加氧化降解反应面积，这种条件下有机污染物可以得到更彻底、快速的降解。但充活性炭到达一定量后，降价率所能提升的空间饱和。所以本实验活性炭填充粒子使用量为6g，浓度为1.5g/100L 最益。

3.2 不同电极材料对降解效果的影响

试验中，分别以阳、阴极不锈钢电极，阳极不锈钢电极、阴极石墨电极，阳极石墨电极、阴极不锈钢电极。在电极极板间距3.0cm、电压15V、活性炭加入浓度为1.5g/100L、电流3A、溶液pH 值为7，保持一定的曝气速率的条件下，溶液的初始浓度为30mg/L 的条件下实验。

试验得出：在废水进行降解实验50min 后，采用石墨板作为电解材料时的降解率要大大低于用不锈钢作为电极材料时的降解率。采阳极不锈钢电极、阴极石墨电极，阳极石墨电极、阴极不锈钢电极降解率分别为87.1%和94.0%，而采用不锈钢做电极时降解率为99.0%。所以采用不锈钢作为阴、阳极电极材料对废水降解效果要比采用石墨板电极的降解效率和资金投入方面都好。

3.3 不同电压对罗丹明B 降解效果的影响

电压是电化学降解反应电解槽内导电粒子极化的动力、电化学反应降解的基本动力。实验中，阳极、阴极材料采用不锈钢片作为电极，电极极板间距为1.5cm，活性炭加入浓度为1.5g/100L，电流3A，溶液pH 值为7，电极间距1.5cm，保持一定的曝气速率的条件下，在反应槽中对电极施加5V、10V、15V、20V、25V 电压进行试验。

试验得出：随着电压的增大，有机废水罗丹明B 的降解率也随之升高。在当电压在15V 时，电解60min 后，降解率达到98.8%。超过15V 后随电压的升高降解率没有明显的增大，发生这种情况可能是由于废水中的罗丹明B 绝大部分已经被降解，使得降解率不会有明显的增加。所以从废水污染物降解率和节能环保方面，采用电压为15V 比较合适。

3.4 不同pH 对罗丹明B 降解效果的影响

在电化学反应试验中，阳极、阴极材料均采用不锈钢片作为电极，活性炭加入浓度为1.5g/100L，电压15V，电流3A，电极间距3.0cm，保持一定的曝气速率的条件下，将反应器中的溶液分别将pH调为3、5、7、9、10，在此条件下进行试验。

试验得出：在降解实验处理前期（如前20min），在强碱和强酸、弱酸和弱碱的性条件下的降解率相差比较大。但随着电解时间延长，这种差异越来越小。虽然在酸、碱的条件都对有机废水罗丹明B 的降解有促进作用，但是在中性的条件下，通过延长部分电解时间，同样可以使降解率达到一个理想值。所以从节约成本的前提下，采用在中性的条件下对模拟废水中的罗丹明B 进行降解为益。

3.5 不同电极极板的间距对罗丹明B 降解效果的影响

在电化学反应试验中，阳极、阴极材料采用不锈钢片作为电极，电压15V，活性炭加入浓度为1.5g/100L，电流3A，溶液pH 值为7，保持一定的曝气速率的条件下，反应器中的电极极板间距分别设置为1.5cm、3.0cm、4.5cm。在此条件下对30mg/L 模拟废水进行实验。

试验得出：当阳极、阴极两极电板的间距较大时，模拟废水罗丹明B 的降解速率较小。电极两极板间距离越小时，降解的速率就越大。当电极极板4.5cm 时，降解50分钟，降解率为83.5%，而当电极极板间距为1.5cm 时，降解率为90.4%。所以当电极极板较小时，降解效果较显著。

3.6 不同电流密度对罗丹明B 降解效果的影响

电化学试验反应中，阳极、阴极材料采用不锈钢片作为电极，电极极板间距为1.5cm，活性炭加入量为6g，溶液pH 值为7，电压15V，保持一定的曝气速率的条件下，在反应器中对电极施加0.05A/cm2（1A）、0.15A/cm2（3A）、0.25A/cm2（5A）的条件下模拟废水进行试验。

试验得出：降解有机废水时，随着电流密度越来越大，模拟废水罗丹明B 的降解率也越来越高，反应开始前60min 差异明显，产生差异的原因可能是随着电流的增大，但随着电解时间的增长，如到90min 后，模拟有机废水中罗丹明B 的降解率差异减少，都达到98%以上。较大的电流密度促使罗丹明B 的降解率加快但是耗能较大。适当的电流密度通过延长部分电解时间也可以达到理想值的降解率，在实际的生产过程中，从节能减排、减少资金投入方面来讨论，电流密度应选择0.15A/cm2（3A）比较合适。

3.7 不同初始浓度对罗丹明B 降解效果的影响

电化学实验反应中，采用阳极、阴极材料采用不锈钢片作为电极，电极极板间距为1.5cm，活性炭加入量为6g，电压15V，电流0.15A，电极间距1.5cm，pH 值为7，保持一定的曝气速率的条件下，在反应器中分别加入10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L 罗丹明B 的模拟废水进行试验。

试验得出：不同初始浓度的模拟废水罗丹明B有机废水在电解50min 后，降解率都达到98.8%。但是在反应初期（前30min）随着初始浓度的增加，罗丹明B 的降解率也增加，换言之，在相同条件下对模拟有机废水中的罗丹明B 进行降解，初始浓度越大，导致吸附在导电粒子活性炭表面的量就越多，对电反应降解的推动力也就越大。但是初始浓度不是越大越好，当达到一定相对值后，再加大的初始浓度将使模拟废水中罗丹明B 的降解率不再随浓度增加而增加，本实验采用的罗丹明B 模拟废水的浓度为30mg/L 比较合适。

4 电Fenton 与三维电极－电Fenton 偶合法降解率比较

三维电极－电Fenton 偶合法是在传统的二维电极法上在电解槽里增加了导电粒子，形成第三电极发展起来的方法，传统的二维电极法与三维电极－电Fenton 偶合法相比，是没有在电解槽里加入导体粒子，在反应过程中未有第三电极的生成。试验中，采用阳极、阴极材料采用不锈钢片作为电极，电极极板间距为1.5cm，电压15V，电流3A，pH 值为7，有机废水初始浓度为30mg/L，保持一定的曝气速率的条件下，分别采用电Fenton 与三维电极－电Fenton 偶合法对罗丹明B 的模拟废水进行降解电化学反应。

试验得出：电解时间为60min 时，传统二维电极的降解率为41.4%，而三维电极－电Fenton 偶合法的降解率为94.4%。导致三维电极－电Fenton 偶合法降解率高的原因是由于在维电极－电Fenton偶合法的反应器中加入了导电的活性炭粒子，形成的第三极电极，增加了反应面积，产生的·OH 自由基增加，使得模拟有机废水的降解率增加。

在相同的条件下，三维电极－电Fenton 偶合法降解有机废水的速率比传统二维电极法快的多，试验探究证明：三维电极－电Fenton 偶合法能更有效地降解有机废水。

5 结论

三维电极－电Fenton 耦合法是一种结合了电Fenton 法和传统二维电极法的新型降解有机废水方法。本文以自制的实验反应装置，在保持其他条件相同，只有一种变量不同条件下，用三维电极－电Fenton 耦合法对模拟废水中罗丹明B 进行降解，实验主要分析了在电化学反应三维电极－电Fenton耦合法中，采用了在活性炭加浓度、电极材料、电解电压、模拟废水pH、电极板间距、不同电流、不同初始浓度等不同因素对模拟有机废水罗丹明B 降解影响，得出以下结论：

一是废水中加入的活性炭导电粒子颗粒，可以使电解电极反应比面积增大，废水的降解速率也就加快，但是加入的导体粒子达到一定值后，降解率不再随导体粒子加入量增加而加快。

二是电解槽阴、阳两电极材料对有机废水的降解起到十分关键的作用。通过试验对比：采用不锈钢作为三维电极－电Fenton 耦合法两极的电极材料，可以达到理想的降解值，同时还减少了电极材料的损耗，也符合减少资金投入的条件。

三是电解槽电极极板上电压密度对废水的降解效果影响较大，增大电解槽内的电压，有机废水的降解效果也随着增大。主要原因是当加大电压时，电解槽中的电势强度得以增加，从而加入的第三电极受到的电势极化作用也就越大，在电解槽中就会构成更多微型电解槽，增加了电反应的面积，提高降解速率。

四是电极极板间距也影响有机废水降解率。当阴、阳两电极的电极相距较近时，电势的增强使得导体粒子活性炭更容易形成微型电解单元，吸附在导体粒子表面上及周边的有机物得到降解，但当电极太过接近时达到一定的临界值时，导体粒子就会游离在阴、阳两电极极板之外，减少三维电极的化学反应面积，从而会降低有机废水的降解速率。

五是电解槽电极极板上电流强弱对废水的降解效果，随着电流密度越大，模拟废水的降解率也越高，但随着降解时间的延长，不同电流的降解率差异不断减小，如到90min 后，模拟有机废水中罗丹明B 的降解率差都达到98%以上，在条件允许的情况下，采用0.15A/cm2（3A）电流密度，且适当延长降解时间，可降低降解成本。

六是试验证明了三维电极－电Eenton 偶合法对有机废水中罗丹明B 降解有较好的效果。