电催化氧化处理工业苯胺废水工艺

发表时间：2021-11-15 12:55:49 阅读次

　　苯胺作为一种有机污染物，是对人体健康具有“致癌、致畸、致突变”的三致物质。苯胺在环境中具有长期的残留性，对地下水与地表水造成污染，被美国EPA列为优先控制的129种污染物之一，也被列入“中国环境优先控制污染物黑名单”中。目前，国内每年生产苯胺80000t以上，其下游产品有150余种，全世界每年排入环境中的苯胺约为30000t。随着化学工业的发展，苯胺的使用需求及使用量越来越多，进入环境的苯胺也会越来越多，对环境造成的危害也会越来越大，因此开展对苯胺废水的研究更具有直接现实意义。

　　苯胺是一种典型的难降解有机物，传统的处理方法比较困难，效率低，处理时间长。电催化氧化法是通过阳极反应直接降解有机物，或者通过阳极产生羟基自由基(•HO)、O3等一类的强氧化剂降解有机物，这种降解途径使有机物最终分解CO2和H2O，不易产生有毒中间产物，更符合环境保护的要求。它具有处理时间短设备简单、操作费用低、易自动控制等优点。

　　因此本文主要研究电催化氧化处理苯胺废水，所用的装置为自行设计，电极为自购，以钛板为阴极，分别以表面镀钌铱的实状和网状钛板为阳极，来探究电催化氧化处理实际工业苯胺废水的效率并研究其最佳处理条件。

　　1、实验

　　1.1 实验装置与材料

　　实验装置三维(3D)图，如图1(a)、(b)所示，是自行设计与组装，参数如下：电解槽为有机玻璃粘制而成，规格：长18.5cm、宽15cm、高18.5cm，总理论体积为5L，底部均匀分布六个曝气头。自制电极：阴极为钛板阳极为钛板表面镀上钌铱(阴极阳极两套分别为实板和网状板，规格为15cm×15cm)。

　　1.2 水样>

　　实验废水来自浙江省嘉兴工业园区某印染厂排放的污水，主要参数如下：

　　化学需氧量(COD)的值为2000～2400mg/L，pH值为4～6，苯胺的浓度为65～75mg/L，色度为100～150倍。

　　1.3 实验方法

　　取适量废水于安装好阴阳极的电解槽中，保持曝气，待其均匀混合，再开启直流电源，在设定的时间点进行取样测试苯酚浓度和COD大小。

　　1.4 分析方法

　　废水的COD利用COD快速测定仪测定(哈希)，pH值采用pH计测定(pHS-2F)，苯胺浓度采用国标法。

　　2、结果与讨论

　　2.1 单因素的确定

　　通过单因素实验，分别考察电极板的形状、pH值、电解质NaCl、电流密度，对处理效果的影响。

　　2.1.1 电极板结构对处理效果影响

　　首先考察电极板的结构对处理效果的影响，分别用实状电极和网状电极处理实际苯胺废水，苯胺的浓度为70mg/L，pH为5.41，电流密度为25mA/cm2，电解质(NaCl)的浓度为4g/L，处理结果见图2

　　通过观察图2可知在处理前30min内，无论是从苯胺还是从COD去除效果网状电极都明显优于实板电极。对于苯胺的处理效果60min后去除率均接近100%，但对于网状电极所需的时间少，节约成本。与苯胺的去除率相比，COD的去除效果更为明显。从0～60min网状电极对COD的去除率都明显优于实状电极，60min后网状电极对COD的去除率达到60%，而实板电极对COD的去除率为42%。

　　电极的结构不同，苯胺和COD去除效果存在一定的差异，实验表明网状电极的处理效果更具优势。网状电极在降解苯胺废水的效率上表现更好，可能原因是其和尖端效应(电场分布均匀，不规则的尖端处场强最大，由于冷核聚变产生真空能)有关。因此后面的实验将以网状电极为主。

　　2.1.2 pH对处理效果的影响

　　在处理实际苯胺废水中，苯胺的浓度为70mg/L，电流密度为25mA/cm2，电解质(NaCl)的浓度为4g/L，分别在不同pH的条件下，来探究pH对苯胺和COD的去除率的影响。

　　通过图3(a)可知：在pH3.71～11.30的测量中发现，电催化氧化20min，苯胺去除率均可达到95%以上，其中pH在5.41左右最高，达到99%。这可能与ClO-在不同pH存在的形态有关。在40min后，通过测量发现苯胺的去除率均可达到99%以上，表明ClO-在pH=5.41左右对苯胺的去除效果最佳。从图3(b)可以发现：溶液COD的值测量发现，pH对COD的去除率也有一定的影响，在各个条件下处理60min后，pH=5.41时COD的去除率最高达到60%。

　　上述数据表明在以阴极为钛板阳极为钛板表面镀上钌铱在酸性的条件下处理实际苯胺废水的效果更好，且在pH=5.41左右处理对苯胺及COD的去除率效果最佳。

　　2.1.3 电解质NaCl浓度对处理效果的影响

　　实验的反应条件：苯胺的初始浓度为70mg/L，pH=5.41，电流密度为25mA/cm2分别投加不同电解质浓度，来探究电解质浓度对苯胺和COD去除率的影响。其结果如图4所示

　　通过图4(a)我们可以发现前20min溶液苯胺的浓度差别很大，20～50min差别越来越小，到50min后苯胺的去除率均接近100%，原因是开始一段时间内活性氯产生量少，随着反应进行，溶液中活性氯的量逐渐增加，低浓度的氯化钠溶液中也能够产生足够量的活性氯和苯胺迅速发生反应，最终的去除率均可接近100%。由图4(b)可知随着NaCl浓度的升高，氯离子浓度增加，COD的去除率也在提高，因为去除是活性氯和电极对苯胺及其降解中间产物协同作用的结果，氯离子浓度大有利于活性氯的产生，协同作用加强。

　　上述数据表明在以阴极为钛板阳极为钛板表面镀上钌铱处理实际苯胺废水投加适量的NaCl电解质进行电催化氧化是有利的。

　　2.1.4 电流密度对处理效果的影响

　　实验的反应条件：苯胺的初始浓度为70mg/L，pH=5.41，电解质(NaCl)的浓度为4g/L，分别改变不同的电流密度，来探究电流密度对苯胺和COD去除率的影响。其结果如图5所示。

　　电流密度为单位面积的电量，电流密度增加也就是单位面积电量的增加，有利于溶液中活性氯的产生，增加了活性氯与电极的协同作用。通过图5(a)可知在反应的前30min内，电流密度对苯胺的去除率影响较大，显示为电流密度越大去除效果越好。30min后，苯胺的量变的很少，电流密度的增加对去除效果的影响不大，且60min后的去除率均接近100%。

　　由图5(b)可知随着电流密度的增加，COD的去除率也随之升高，但电流效率降低，电流密度为25mA/cm2，电解60min后，实际苯胺废水COD的浓度从2300mg/L降至910mg/L，COD的去除率为60.43%，电流效率为85.9%。当电流密度增加到37.5mA/cm2，实际苯胺废水COD的浓度从2300mg/L降至800mg/L，COD的去除率为60.43%，但电流效率下降为44.3%。

　　所以从图5可知当电流密度为25mA/cm2时，已达到较高的苯胺和COD的去除率，继续增加电流COD的去除率增加放缓，电流效率越来越低，增大能耗。

　　2.2 正交实验的结果

　　结合工艺成本及各单因素实验结果，确定3个水平，采用L9(34)正交实验表安排实验，结果如表1、表2所示。