李旭光，鄭璐

極板材料對(duì)三維電極電Fenton法處理孔雀石綠廢水的影響

李旭光，鄭璐

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

利用三維電極電Fenton法處理孔雀石綠廢水，通過(guò)比較兩種不同的極板材料對(duì)色度與COD的去除率的影響，確定使用哪種極板材料能夠更高效的處理廢水。

極板材料； 孔雀石綠廢水； 三維電極；電Fenton

目前，各國(guó)的工業(yè)水平正在快速增長(zhǎng)，向水體中排放的廢水量也越來(lái)越大?？兹甘G作為偶氮染料的一種，在工業(yè)廢水的排放中占有重要的比例，其具有水質(zhì)水量波動(dòng)大、色度高等特點(diǎn)[1]。

試驗(yàn)以孔雀石綠印染廢水為目標(biāo)污染物，用三維電極電Fenton耦合的方法處理廢水[2]，研究不同極板材料對(duì)體系處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

三維電極電Fenton試驗(yàn)裝置由電動(dòng)攪拌機(jī)、陰極電極板、陽(yáng)極電極板、氣體流量計(jì)、電流表、直流穩(wěn)壓電源、空氣壓縮裝置等組成。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

三維電極電Fenton反應(yīng)裝置采用2000 ml的燒杯。陽(yáng)極采用鐵板電極，陰極采用石墨板電極，尺寸均為20 cm長(zhǎng)，6 cm寬，厚度為3 mm。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)選用孔雀石綠為處理對(duì)象，為更好的分析三維電極電Fenton系統(tǒng)對(duì)孔雀石綠的處理效果和控制參數(shù)，排除干擾因素，試驗(yàn)選用自配染料廢水。將孔雀石綠與蒸餾水按一定濃度進(jìn)行混合，并避光穩(wěn)定24 h后進(jìn)行試驗(yàn)，以孔雀石綠的COD去除率和色度去除率作為水質(zhì)指標(biāo)，如下表所示。

表1 印染廢水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

試驗(yàn)中，空氣壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、曝氣管以及曝氣頭組成了三維電極電Fenton系統(tǒng)的曝氣裝置，曝氣頭通過(guò)曝氣軟管與空氣壓縮機(jī)連接，并在中間設(shè)置轉(zhuǎn)子流量計(jì)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的曝氣強(qiáng)度。在三維電極反應(yīng)器中，污染物被截留在粒子電極的表面，并在粒子電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，然而，當(dāng)裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，污染物和降解過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物容易沉積和吸附在粒子電極表面，導(dǎo)致處理效果下降。曝氣裝置可以提供充足的氧氣，溶解氧在陰極發(fā)生電極反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑對(duì)污染物進(jìn)行去除。同時(shí)，裝置采用電動(dòng)攪拌的方式，攪拌槳同放置在裝置底部的曝氣頭產(chǎn)生的氣泡一起對(duì)粒子電極進(jìn)行沖刷，并使粒子電極處于流動(dòng)和分散的狀態(tài)。使溶液充分混合，曝氣均勻，防止粒子電極在底部堆積產(chǎn)生短路現(xiàn)象。

試驗(yàn)采用兩種不同的極板材料—C/C電極與Fe/C電極—處理孔雀石綠廢水，通過(guò)比較色度與COD的去除率來(lái)觀察處理效果，從而確定使用哪種極板材料能夠在相同時(shí)間內(nèi)處理效果更佳。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 C/C電極對(duì)孔雀石綠廢水的處理效果

在Fe/C電極電Fenton反應(yīng)器內(nèi)，鐵陽(yáng)極能在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生大量Fe2+，因此C/C電極需外加Fe2+產(chǎn)生電Fenton反應(yīng)，試驗(yàn)控制極板間距為9 cm，初始pH值為3，電解電壓為14 V，Na2SO4電解濃度為5 g/L，曝氣強(qiáng)度為1 L/min，分別在C/C電極反應(yīng)器內(nèi)投加0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L Fe2+，研究外加Fe2+濃度對(duì)孔雀石綠印染廢水處理效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 外加亞鐵粒子濃度對(duì)孔雀石綠廢水處理效果的影響

根據(jù)Fenton反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)生Fenton反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)e2+和H2O2之間存在著最佳的比例，［H2O2］:［Fe2+］低于或超過(guò)這個(gè)最佳比例時(shí)，都不能達(dá)到最好的處理效果[3]。秦潔瓊[4]等人研究了采用超聲-Fenton氧化法聯(lián)用的技術(shù)處理印染廢水，通過(guò)Fenton氧化的正交試驗(yàn)分析，確定Fenton反應(yīng)的最佳反應(yīng)條件，在pH=4，F(xiàn)e2+濃度0.02 mol/L，H2O2濃度0.18 mol/L的條件下，COD和色度去除效果最佳。李新[5]等人研究了印染廢水中各類有機(jī)物在Fenton氧化過(guò)程中的去除效果，試驗(yàn)表明［H2O2］:［Fe2+］為6:1~10:1時(shí)效果較好，當(dāng)［H2O2］：［Fe2+］為10:1時(shí)，UV254、DOC和ADMI7.6去除率分別達(dá)到了77.00%、46.00%和94.00%。通過(guò)前面的試驗(yàn)，C/C電極H2O2生成量為114.34 mg/L，當(dāng)Fe2+投加量為1 mmol/L時(shí)，體系中［H2O2］:［Fe2+］接近10:1，此時(shí)Fenton反應(yīng)較為高效充分。當(dāng)Fe2+投加量小于 1 mmol/L時(shí)，F(xiàn)enton體系中產(chǎn)生的·OH較少，不能對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生較好的降解效果，當(dāng)Fe2+投加量大于 1 mmol/L時(shí)，過(guò)量的Fe2+會(huì)消耗體系中的·OH，發(fā)生反應(yīng)Fe2++·OH → Fe3++ OH-，降低對(duì)有機(jī)物污染物的氧化去除效果[6]。因此，在Fe2+投加量為 1 mmol/L時(shí)，C/C電極的處理效果最好，色度去除率和COD去除率分別達(dá)到了43.24%和20.92%。

在C/C電極反應(yīng)器中外加Fe2+濃度1 mmol/L?？刂品磻?yīng)時(shí)間為180 min，每隔20 min對(duì)印染廢水出水進(jìn)行取樣，進(jìn)一步研究在不同反應(yīng)時(shí)間的條件下C/C電極電Fenton系統(tǒng)對(duì)印染廢水色度和COD的去除效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 C/C電極對(duì)孔雀石綠廢水處理效果的影響

2.2 Fe/C電極對(duì)孔雀石綠廢水的處理效果

通過(guò)外加Fe2+濃度對(duì)C/C電極反應(yīng)器處理效果的影響試驗(yàn)可以確定，當(dāng)外加Fe2+濃度1 mmol/L時(shí)，C/C電極對(duì)印染廢水的處理效果最好?？刂品磻?yīng)時(shí)間為180 min，電極電壓為14 V，電解質(zhì)濃度5 g/L，曝氣強(qiáng)度1 L/min，極板間距9 cm，pH=3，在不外加Fe2+的條件下研究Fe/C電極極對(duì)印染廢水色度和COD的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 Fe/C電極對(duì)印染廢水處理效果的影響

從圖4可以看出，F(xiàn)e/C電極對(duì)色度和COD的去除效果與C/C電極的趨勢(shì)相同，但去除率均高于C/C電極，經(jīng)過(guò)3 h的電Fenton反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，F(xiàn)e/C電極色度去除率和COD去除率分別比C/C電極高出15.19%和10.82%。采用Fe陽(yáng)極的電Fenton反應(yīng)系統(tǒng)，在陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)Fe-2e-→Fe2+，陰陽(yáng)兩極原電位產(chǎn)生了Fenton試劑并發(fā)生Fenton反應(yīng)，生成大量的·OH，·OH的強(qiáng)氧化性能可以降解印染廢水中的有機(jī)污染物，使COD和色度得以去除。

在C/C電極電Fenton系統(tǒng)中，雖然在反應(yīng)初期向C/C電極投加了1 mmol/L的Fe2+， Fe2+可以在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，循環(huán)量很少，且Fe2+濃度越來(lái)越低，在電解反應(yīng)開(kāi)始的60 min內(nèi)，色度去除率和COD去除率升高的速率較快，60~120 min色度去除率和COD去除率上升緩慢，120 min后，溶液的色度去除率和COD去除率幾乎不發(fā)生變化，F(xiàn)enton氧化的高效反應(yīng)僅出現(xiàn)在反應(yīng)初期的60 min內(nèi)。

3 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在以C/C電極作為極板材料時(shí)，外加Fe2+濃度在1.0 mmol/L、反應(yīng)進(jìn)行到120 min時(shí)色度與COD的去除率幾乎同時(shí)達(dá)到最高值，分別為42%與20%；在以Fe/C電極作為極板材料時(shí)，色度的去除率在反應(yīng)進(jìn)行到100 min時(shí)達(dá)到最大值58%左右，COD的去除率在反應(yīng)進(jìn)行到120 min時(shí)達(dá)到最大值30%左右。綜上所述，在其他條件都相同的條件下，F(xiàn)e/C電極在相同的處理時(shí)間內(nèi)色度與COD的去除率均高于C/C電極，因此試驗(yàn)選用鐵陽(yáng)極和石墨陰極極板。

［1］謝復(fù)青，何星存，陳孟林.鋼渣-焦炭吸附-微波降解法處理孔雀石綠染料廢水的研究[J].化工時(shí)刊，2006，20（3）：3-10.

［2］石巖，王啟山，岳琳，等. 三維電極_電Fenton法去除垃圾滲濾液中的COD[J].中國(guó)給水排水，2008,24（19）：87-94.

［3］班福忱，趙曉彤，武玉萍，等. 三維電極_電Fenton法處理苯酚廢水機(jī)理研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，30（1）：137-141.

［4］秦潔瓊，周培國(guó)，張齊生，等.超聲-Fenton氧化聯(lián)用處理印染廢水[J]. 節(jié)水灌溉，2012,7:39-46.

［5］李新，劉勇弟，孫賢波，等.印染廢水生化出水中各類有機(jī)物在Fenton氧化過(guò)程中的去除效果[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012,6（11）：3953-3958.

［6］王利平，蔡華，陳毅忠，等.Fenton 試劑深度處理印染廢水的研究[J]. 中國(guó)給水排水，2010, 26（7）：90-93.

Effect of Electrode Material on Malachite Green Wastewater Treatment With Three-dimensional Electrode Electro Fenton Method

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（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

Three-dimensional electrode electro Fenton method was used to treat malachite green wastewater. Effect of electrode material on the removal rates of chromaticity and COD was investigated with two different electrode materials. At last, suitable electrode material for treatingthe wastewater was screened out.

electrode material; malachite green wastewater; three-dimensional electrode; electro Fenton

TQ ××

A

1004-0935（2017）09-0866-03

2017-06-28

李旭光（1989-），男，在讀碩士研究生，內(nèi)蒙古赤峰市人，沈陽(yáng)建筑大學(xué)環(huán)境工程，研究方向：從事水污染理論與控制研究。