三维电催化氧化法预处理抗生素废水探究

2015-07-12李卓坪徐根华曹惠忠

电子测试 2015年2期

关键词：电催化阳极去除率

李卓坪,徐根华,曹惠忠,戴昕

（1.南京科盛环保科技有限公司，南京，211500;2.南京大学连云港高新技术研究院，连云港，222000）

1 引言

1.1 水质特点

目前，国内有300多家企业生产70多个品种的抗生素，占世界总产量的20%～30%，抗生素生产过程中产生的废水的特点为：

a、水质成分复杂：抗生素废水生产工艺流程长，反应复杂、副产物多；

b、废水中污染物含量高，COD浓度高，少则数千，多则几十万；

c、废水中难降解及有毒有害物质多，含有一定浓度的有机类生物抑制剂，给生化处理造成困难；

d、部分废水盐分含量高，对微生物有明显的抑制作用。

目前国内外的预处理方法多采用芬顿和臭氧氧化法，其具有处理成本过高，氧化不彻底等缺点。为降低污水处理成本，提高废水的可生化性，急需找到一套经济合理的预处理方法。

电催化氧化技术通过电极和催化材料的作用产生羟基自由基等活性基团，将水中难降解有机污染物氧化分解为环境可以接受的小分子物质，不仅操作简便、降解速度快，而且具有易建立密闭循环和无二次污染等优点，是一种极具产业前景的清洁净化方法。

1.2 电催化氧化反应机理

由图1有机污染物在氧化物阳极上的氧化过程示意图可见，有机物在阳极上的氧化过程非常复杂。由于电极材料和电解液组分不同，电氧化产生的具有催化活性的物种也不尽相同，如既可生成高价态金属氧化物，也可以生成羟基自由基，发生直接电催化氧化和间接电催化氧化。直接阳极氧化∶ 主要依靠在阳极上发生的电化学选择性氧化降解有机物，这个过程伴随着氧气析出。间接阳极氧化是通过阳极发生氧化反应产生的强氧化剂，间接氧化水中的有机物，达到强化降解的目的。由于间接电氧化既在一定程度上发挥了阳极氧化作用，又利用了产生的氧化剂，因此处理效率大为提高。无论是直接氧化还是间接氧化找到适合的阳极材料是电催化氧化成功的关键。

2 实验部分

2.1 实验用水

试验废水水样取自南京某制药厂，主要从事抗生素、生物制剂、基因工程领域的研发与生产，废水主要来源于抗生素类药品生产过程。根据该厂提供的资料，废水成分非常复杂，属于高浓度有机含盐废水，其中 COD浓度为 23000～25000mg/L；BOD5浓度为 2500～6000mg/L；pH 值为 4～6；颜色随加工车间改变而不同，通常呈暗棕色，具有强烈的刺激性气味，有少量的悬浮物。

2.2 实验装置

本试验所采用的电催化氧化装置见图4所示，槽体呈长方体，由 PVC 材料制成（厚 5 mm），槽体长 600 mm，宽 100 mm，高300 mm，在槽底部装有均匀分布的细管（Φ5 mm），细管底部开孔，以保证布水和进气均匀。阳极为石墨电极，阴极为不锈钢板电极，电极极板定在两边的槽体上。以活性炭-纳米二氧化钛作粒子填充电极。试验时用尼龙网（窗纱）做隔膜将极板与粒子电极隔开，避免电极与粒子接触导致短路，并且用窗纱可将粒子电极整体取出，易于进行粒子电极更换和冲洗。

2.3 实验方法

取一定量的已制作好的粒子电极，用水冲洗干净，自然风干，然后用待处理的废水浸泡24 h，期间换水 3～4 次，以确定粒子吸附饱和。取出粒子电极，晾干后装入电催化氧化装置。向装置内加入待处理的废水，调节电压至所需值，控制压缩空气流量，反应一定时间后取样分析。

图2.电催化氧化装置

3 结果讨论

3.1 槽电压的影响

外加槽电压是电解反应的驱动力, 电压大小直接影响电极反应速率。实验用50cm的反应槽作反应器，反应时间30min，压缩空气量30L/h，改变电压，实验结果如图3 所示。

图3 不同槽电压对COD去除率

由图3可知，电催化降解效果随着外加电压的增大而增加,当外加电压增大到45V 时,废水COD 去除率接近于最大值,继续增大电压对降解效果增加不大,这有可能是当加在粒子电极上的电压小于分解电压时，无反应电流，仅有短路电流和旁路电流通过。当加在粒子上的电压大于分解电压时，开始有反应电流通过，废水内的物质开始发生分解，当外加槽电压过大时，旁路电流和短路电流显著增大，一部分电能转化为热能，废水温度也随之上升，因此无论从过程安全经济学角度来看,都应采用较低的槽电压。

3.2 pH的影响

溶液的酸碱性(pH)是电催化系统中重要的影响因素, 对有机物降解有着显著的影响.实验条件为：电极板距50cm，槽电压为45V，鼓入空气量30L/h，分别调整废水pH至2、3、4、5、6、7、8、9、10，实验结果如图4 所示∶COD去除率在低pH 条件下最佳,氧化效果随着pH 值的增大迅速降低.这有可能是因为在酸性条件下,O2更容易还原产生H2O2的缘故,从而进一步生成羟基自由基，氧化分解水中污染物质。