电化学氧化法处理甲基橙模拟废水的研究

电化学氧化法处理甲基橙模拟废水的研究摘要：本实验以浓度（200mg/L）甲基橙偶氮染料模拟废水为研究对象，采用本实验组已有的钛基二氧化铅电极，通过静态实验考察时间、pH、电压、电解质投加浓度等影响因素对实验结果的影响。本实验研究目的在于考察电化学氧化在偶氮类废水中的处理情况，发现其在偶氮类处理方面的优势和不足，为其在实践中应用提供有用的参考数据，以增加在实际中的应用性能。关键词：电化学氧化法；甲基橙中图分类号：O646.5文献标识码：A电化学氧化是通过阳极（一般是惰性阳极）反应生成的氧化基团降解水中的有机物。电催化氧化法是最可能被工业化应用的高级氧化工艺之一，被称为“环境友好”技术，以其多种优势有着其它高级氧化工艺所不能比拟的特点：（1）过程中产生的·OH具有强氧化性，可无选择地直接与废水中的有机污染物反应，没有或很少产生二次污染；（2）反应条件温和，电化学过程一般在常温常压下就可进行；（3）既可单独处理，又可与其它处理技术相结合，如作为生化法的前处理，用以提高废水的可生化性；（4）反应装置简单，工艺灵活，可控制性强，易于自动化，费用不局。但是，至今为止，电催化氧化法在工业上的应用还存在许多亟待解决的问题。因此，开展电催化氧化法处理难生物降解有机废水的研究开发工作很有必要[1-7]。1实验部分1.1主要仪器设备仪器名称仪器型号生产厂家晶闸管变流装置调温加热套PKDF-60/20KDM西安博望电子电力工程有限公司山东鄄城光明反应器有限公司1.2主要试剂试剂名称纯度等级生产厂家甲基橙分析纯天津市津北精细化工有限公司硫酸分析纯西安市长安县新精细化工厂硫酸银分析纯西安化学试剂厂重铬酸钾分析纯西安化学试剂厂邻菲罗啉分析纯天津市登封化学试剂厂硫酸亚铁铵分析纯天津市盛奥化学试剂有限公司硫酸亚铁分析纯天津市耀华化学试剂有限责任公司氯化钠分析纯天津市登封化学试剂厂1.3电极材料的选择电极材料在电化学氧化过程中起着重大作用。电极过程的方向和动力学、电极和反应器的结构形式与反应器寿命也在很大程度上取决于电极材料的性能，故电极的重要性也越来越明显。电极材料必须具备导电性好、抗腐蚀性强、机械强度和加工性能好、寿命长、稳定性好等特点。电极是电化学反应器的核心构件，不同用途的电化学反应器对电解材料有不同的要求，最常用的电极材料为石墨电极、金属电极和金属氧化物电极三种，也是水溶液电解过程中常用的电极材料。1.4阳极材料的选择钛基二氧化铅电极具有催化活性高、导电性好、化学性质稳定等优点，因此本实验选用钛基二氧化铅作为阳极材料来处理废水。本实验所用的钛基二氧化铅电极材料呈圆柱形，长为500mm，直径10mm。1.5阴极材料的选择采用圆柱形铁片作为阴极材料，电解过程中阴极产生的氢气可作为微污染物水去除氨氮的供氢体解决反硝化所需要的氢气供体问题。1.6模拟印染废水的配置称取0.2000g甲基橙放入1000ml干净烧杯中，先加200ml蒸馏水用玻璃棒搅拌加快溶解，直到烧杯中甲基橙全部溶解，再加蒸馏水至1000ml，得到ρ(甲基橙）=200mg/L的单一模拟印染废水。1.7分析方法CODCr采用重铬酸钾法测定（GB/T11914-1989)，本国标适用于COD值高于30mg/L的大多数水体，样品不经过稀释可测最大COD值为700mg/L[8]；色度采用稀释倍数法测定；pH值采用PB-10型酸度计测定。2结果与讨论2.1主要影响因素的确定通过单因素试验，分别考察pH值、反应时间、微电解材料投加量、反应电压和电解质NaCl对处理效果的影响，得出主要影响因素。2.1.1.污水pH值对铁炭微电解法去除率的影响常温下，ρ（甲基橙）=200mg/L，电压为5V，NaCl投加浓度为0.03mol/L，暴气量为0.4L/min，电解时间为2h，考察pH值对CODCr去除率和色度去除率的影响，试验结果如图1。图1pH值对CODCr和色度去除率的影响Fig.1EffectofpHvalueonremovalratesofCODCrandcolority由图1可知，pH值对甲基橙废水COD去除率有较大影响，当废水pH值在4左右时，去除率效果最好，到达81.74%，随着废水pH值的升高，去除率降低。在反应器内，主要发生的电解反应为：H2O2＋H+→HO•+H2O反应生成的HO•氧化废水中的有机物，pH值越低效果越好，但过低的pH值易产生二次污染。由图1还可知，pH值对色度去除率影响不大。综合考虑，设定优化pH值为4。2.1.2电解时间对铁炭微电解法去除率的影响常温条件下，ρ（甲基橙）=200mg/L的模拟废水，以HCl，NaOH调节pH=4，暴气量为0.4L/min,电压为5V，NaCl投加浓度为0.03mol/L时，考察了电解时间对甲基橙模拟废水CODCr与色度的影响，如图2所示。图2电解时间对CODCr和色度去除率的影响Fig.2EffectofreactiontimeonremovalratesofCODCrandcolority由图2可以看出，过长或过短的反应时间都会明显的降低甲基橙废水CODCr去除率，色度去除率影响较小，基本到达75%。反应时间由1h增长到2h，CODCr去除率明显上升，并达到最大值82.31%，继续增长反应时间，CODCr去除率明显降低。综合考虑，设定优化反应时间为2h。2.1.3NaCl投加浓度对铁炭微电解法去除率的影响常温条件下，ρ（甲基橙）=200mg/L的废水，以HCl，NaOH调节pH=4，暴气量为0.4L/min，电解时间为2h，溶液pH值为4，反应电压为5V时，投加NaCl不同浓度时对COD和色度的去除率的影响，如图3。图3NaCl投加浓度对铁炭微电解法去除率的影响Fig.3EffectofmaterialdosageonremovalratesofCODCrandcolority由图3可知，电解质NaCl投加量对COD去除率由较大影响，随着NaCl浓度的升高，COD去除率也上升，但当NaCl浓度达到0.03mol/L时，继续增加NaCl的量，处理效果提高不明显。电解质NaCl投加量对甲基橙废水色度去除率影响不大，基本在75%左右。综合考虑，设定优化NaCl投加浓度为0.03mol/L。2.1.4温度对铁炭微电解法去除率的影响由于升高温度可加快氧化还原反应的速率，且在反应初期会更加明显，但是由于保持一定的温度需要保温等措施，一般的工业应用不予以考虑，均在常温下进行反应。2.2.正交试验结果上述试验结果表明加入NaCl对处理效果的影响不大，反应温度在室温即可达到较好的效果。因此，以pH（A），电解时间(B)，微电极材料投加量(C)为主要考察因素。根据单因素实验每个因素确定3个水平，采用L9(33)正交表做正交试验，试验条件及结果见表1和表2。表1因素和水平设计表Tab.1Designsoffactorsandlevels因素A（pH值）B（处理时间h）C（电压V）D(NaCl浓度mol/L)水平14130.01水平25240.02水平36350.03表2铁炭微电解最佳工艺条件正交表Tab.2Resultsoforthogonaltestunderoptimaloperatingcondition试验号ABCDCOD去除率(%)14130.0152.4724240.0253.7434350.0348.0345140.0348.0355250.0146.1365330.0249.9376150.0251.286230.0348.6796340.0148.67K1154.24151.7151.07147.27K2144.09148.54150.44154.87K3148.54146.63145.36144.73R10.155.075.7110.14由表2可知，各种因素对COD去除率有不同的影响，影响顺序为：pH值＞电解质NaCl投加量＞电压＞处理时间。综合各因素不同水平的实验结果，得出电化学氧化法处理偶氮类甲基橙模拟废水的优化处理条件为：废水pH值为4，电解质NaCl投加量为0.03mol/L，电压为5V，处理时间为2h。3结论本实验研究了电化学氧化法处理甲基橙模拟废水，电极材料为钛基二氧化铅阳极和圆柱形铁阴极。实验结果表明影响电化学氧化法处理印染废水效果的重要因素是废水pH值、电解质NaCl投加量、电压和处理时间。在优化操作条件下（即废水pH值为4，NaCl投加量为0.03mol/L，电压为5V，处理时间为2h。）电解处理甲基橙模拟废水，COD和色度去除率达到82.31%和75%。但是反应器在实际运行过程中，电极的耗损比较严重，钛基二氧化铅的使用寿命在200h左右。因此寻求一种腐蚀小、寿命长的电极或制备工艺，将是推动电化学氧化法在工程中应用的关键，对印染废水的处理有着重要的意义。[参考文献][1]KIRKDW9SHARIFIANH9FOULKESFR.AnOdicOxidariOnOfAni1inefOrWaSreWarerTrearmenr[J].JApp1E1ecrrOchem91985915=285-292.[2]BECKF9SCHULZH.Cr-Ti-SbOxideCOmpOSireAnOdeS=E1ecrrO-OrganicOxidariOn[J].JApp1E1ecrrOchem91987917=914-924.[3]PrOceedingSOfrheSixrhInrernariOna1FOrumOnE1ecrrO1y-SiS.EnvirOnmenra1App1icariOnSOfE1ecrrOchemica1TechnO1Ogy[M].NeWYOrk=E1ecrrOchemAcra91994.39=1857-1862.[4]FRANCLINTC9DARLINGTONJ.TheUSeOfrheOxidariOnBariumPerOxideinACueOuSSurfacranrSySremSinrheE1ecrrO1yricDeSrrucriOnOfOrganicCOmpOund[J].JE1ecrrOchemSOc91991913811)=2285-2288.[5]COMIMELLISC.E1ecrrOcara1ySiSinrheE1ecrrOchemica1COnverSiOn/COmbuSriOnOfOrganicPO11uranrSfOrWaSreWarerTrearmenr[J].E1ecrrOchemAcra91994939=1857-1862.[6]DOJS9YEHWC.InSiruPairedE1ecrrO-OxidariveDegradariOnOfFOrma1edehydeWirhE1ecrrOgeneraredHydrOgenPerOxideandHypOch1OrireIOn[J].JApp1E1ecrrOchem91998928=700-710.[7]BRILLASE9BASTIDERM9LIOSAE.E1ecrrOchemica1DeSrrucriOnOfAni1ineand4-ch1OrOani1inefOrWaSreWarerTrearmenrUSingaCarbOn-PTFEO2-fedCarhOde[J].JE1ecrrOchemSOc919969143=L49-L52.[8]国家环保局监测分析方法编委会编,水和废水检测方法[M].中国环境科学出版社,5（第一版）:3545-3548.