电催化氧化降解含酚工业废水实验研究

2014-05-14罗胜铁

唐山学院学报 2014年3期

罗胜铁，沈丽

（唐山学院环境与化学工程系，河北唐山063000）

含酚废水主要来自焦化厂、煤气厂、石油化工厂等工业部门，以及石油裂解制乙烯、合成苯酚、聚酰胺纤维、有机农药和酚醛树脂等生产过程。酚类化合物是我国优先监测的持久性有机物，已经被列入具有致癌性单环芳烃之列。

目前，含酚废水的处理技术有生物法、物理法和化学法。含酚废水处理技术的选择取决于含酚废水中的酚浓度、COD值及其他因素如处理费用等［1－3］。电化学法是近年来发展起来的一种高效的水处理新方法。其特点是在同一水处理设施中可能同时完成电凝聚、电气浮、电吸附、电催化氧化和还原等多种净化过程，具有效率高、用地省、产生污泥少、便于控制等优点，因此引起了广大水处理工作者的关注［4－7］，此方法为污水资源化提供了一条新思路。本实验拟通过电催化氧化技术对含酚工业废水进行处理，考察废水中COD的去除效果。

1 电极材料与实验方法

1．1 废水水质

实验用含酚废水取自唐山市某焦化厂，废水COD约为1 400 mg／L。

1．2 电极的选择和制备方法

电极在电化学处理技术中处于“心脏”的地位，电极的电催化特性是电催化技术的核心内容，提高电极的特性即希望电极对目标有机物表现出高的反应速率，并且有好的选择性。电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素，不同的电极材料会使反应速度发生数量级的变化。改变电极材料的性质，可以通过变换电极基体材料来实现，也可以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性来实现［8－9］。

本实验选用PbO2电极为阳极，自制C／PTFE氧还原电极为阴极，研究其对含酚废水的处理性能。

C／PTFE氧还原阴极的制备方法如下：将一定质量的石墨粉和聚四氟乙烯乳液（PTFE）用无水乙醇混合，超声搅拌20 min，使石墨和PTFE分散均匀，然后在恒温水浴（60～80℃）中不断搅拌，直至混合成凝聚膏体，将凝膏体辊压制成厚约0．2 mm的碳膜，再将压好的两片碳膜附着在不锈钢网上，用液压机将碳膜和不锈钢网复合好，将复合好的电极用蒸馏水煮沸0．5 h，然后在90℃干燥2 h备用。

1．3 电解体系隔膜的选择

多数电化学反应器都使用隔膜来分隔阳极和阴极区间，防止两极产物混合，以及在电极表面或溶液中发生副反应或次级反应，避免影响产物纯度、收率和电流效率，甚至造成危及安全的事故。本实验选用隔膜电解体系是基于如下两点考虑：

（1）根据阴、阳极氧化机理，阴、阳极分隔开后，阳极呈强酸性，阴极呈强碱性，从而使溶液中离子总数增多，导电能力增强，减少了电解质的投加量，同时创造有利于有机物降解的反应条件。

（2）应用隔膜分开阴、阳极后，可以通过分析阴、阳极反应液探讨其反应机理。

本实验综合考虑了常用的几类隔膜如石棉隔膜、陶瓷隔膜、离子交换膜、涤纶、棉布等的特点，最终采用价廉的涤纶滤膜作为电解体系的隔膜。

1．4 实验方法

实验采用阴、阳极同时作用降解含酚工业废水，测定COD的去除率。COD检测方法采用重铬酸钾法。

1．5 实验装置

实验装置见图1所示。自制有机玻璃电解槽（60 mm×45 mm×80 mm），有效容积为130 mL，阴阳极室体积比为1∶1。采用PbO2电极为阳极，自制的C／PTFE氧还原电极为阴极，极间距为0．5 cm，阳极和阴极的有效面积均为34 cm2，在电解槽内放置涤纶滤膜。

图1 电解实验装置示意图

2 结果与讨论

2．1 最佳反应时间的确定

在电流密度30 m A／cm2下，在阴、阳极室曝气量为1．8 L／min条件下，考察含酚废水COD去除率随反应时间的变化情况，如图2所示。

由图2可知，含酚废水经阴、阳极电催化氧化作用降解程度较大，COD去除率随电解时间的延长逐渐升高，阴极室在80 min时COD去除率达到80%以上。在80 min以后，COD去除率变化趋于平缓。因此确定最佳反应时间为80 min。

2．2 曝气量影响

在电流密度30 m A／cm2，反应时间80 min条件下，考察曝气量对含酚废水COD去除率的影响。如图3所示。

图2 反应时间对含酚废水COD去除率的影响

图3 曝气量对含酚废水COD去除率的影响

由图3可知，含酚废水在曝气量为1．2 L／min的条件下，COD去除率达到最大。同时阴极室中COD去除率效果明显高于阳极室。分析其原因是由于阴极室在碱性条件下H2O2能进一步产生HO·和O2·自由基，它们对有机物氧化能力要高于阳极室直接和间接的氧化能力。

2．3 电流密度影响

在曝气量为1．2 L／min，反应时间为80 min条件下，考察电流密度大小对含酚废水COD去除率的影响，结果见图4。

图4 电流密度对含酚废水COD去除率的影响

由图4可看出，阴、阳极室COD去除率随电流密度的升高而增加，且随着电流密度增加，COD去除率变化趋于平缓。电流密度升高，意味着电子传递速度增加，从而提高了电极反应速率，所以COD去除率得到提高；而电流密度过大将降低电流效率，电流密度过小又影响自由基的生成速率和COD的降解速率，所以实验中合适的电流密度为30 mA／cm2。