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碳毡电极电芬顿降解甲基橙研究
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2020-10-17 22:09:59 浏览次数:
作者:陈孖瑜1,施毅君1,陈日耀1,2,金延超1,2,郑曦1,2,陈晓1,2( 1. 福建师范大学 环境科学与工程学院,福建 福州 350007;2. 福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建 福州 350007)

摘 要: 研究了碳毡电极电芬顿对偶氮类染料废水甲基橙的降解,并研究了 pH 、电流、氧气流量等实验条件对废水降解的影响。结果表明,在 pH  = 3、电流为 25 mA 、氧流量为 100 mL /min 条件下,初始浓度为 100 mg/L 的甲基橙的脱色率达 95% 左右; 与脱色相比,染料矿化需要更长的处理时间,处理 180 min,矿化率达到 40% 左右。

关键词: 电芬顿; 碳毡; 甲基橙; 废水降解

造纸印染行业消耗大量染料,其中偶氮染料占有 70% 左右的市场份额[1]。染料废水性质稳定,存在“三致”等特点,严重危害环境和人类健康[2]。芬顿技术比传统水处理方式有更好的染料废水降解效果。酸性条件下,由 H 2O 2和 Fe 2 +组成的芬顿试剂可产生具有高氧化还原电位( 2. 7 eV) 的·OH,可以氧化降解染料分子[3]。电芬顿在阴极原位产生 H 2O 2,无需额外添加,减少了 H 2O 2生产、存储运输等问题,更具发展前景[4]。阴极材料的选择是产 H 2O 2的关键,目前,碳材料电极作为常用的电极材料,产 H 2O 2性能较好[5]。碳毡的比表面积大,从而产 H 2O 2效率更高[6]。本文研究了碳毡电极电芬顿对偶氮染料甲基橙的降解。

1 实验部分

1. 1 材料与仪器

碳毡,购于荆州浩特新材料有限公司; 钌铱电极,购于云轩金属材料有限公司; 硫酸、无水硫酸钠、草酸钛钾、七水合硫酸亚铁、甲基橙、硫代硫酸钠均为分析纯。雷磁 pH S-3E pH  计; DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器; LZB-3WB 玻璃转子流量计; QJ3005H 高精度直流稳压电源; Spectrumlab S22PC 可见分光光度计; 岛津 TOC-L 总有机碳测定仪。

1. 2 电芬顿测试条件

实验装置见图 1,本研究使用钌铱电极( 3 cm ×8 cm) 为阳极,碳毡( 3 cm × 8 cm) 为阴极,两极间距为 4 cm,氧气钢瓶作为氧气源,实验过程中使用磁力搅拌器搅拌,速度为 300 r/min,温度为 25 ℃。

1. 3 分析方法实验

过 程 中,H 2O 2浓 度 测 定 使 用 草 酸 钛 钾法[7]。使用分光光度计检测其在最大吸收峰( λ =460 nm) 的吸光度,确定 H 2O 2浓度。水处理过程中甲基橙染料废水的浓度通过检测甲基橙的最大吸收峰( λ = 460 nm) 确定。此外,使用总有机碳测试仪检测电芬顿处理染料废水的矿化率。实验过程中电解产生 H 2O 2的电流效率的计算见下式:CE =zF C H 2O 2V M H 2O 2It × 100%式中 CE———电流能量效率,% ;F———法拉第常数,96 485 C / mol;C H 2O 2———H 2O 2的浓度,g /L;V———反应体系体积,L;M H 2O 2———H 2O 2的摩尔质量,34. 01 g /mol;I———电流强度,A;t———通电时间,s。

1. 4 实验方法

每次实验的电解质溶液或者染料废水体积为200 m,电解质浓度为 0. 01 mol / L,pH = 3。实验开始前鼓 氧 气 10 min,预 处 理; 取 样 时 间 间 隔 为20 min。首先研究了电流和氧气流量对电解产生H 2O 2的影响,通过检测分析产生 H 2O 2的累计浓度和电流利用效率确定最佳的电流和氧气流量; 其次研究了染料废水初始浓度和二价铁离子浓度对甲基橙废水脱色的影响,取样后使用过量的硫代硫酸钠终止反应。最后通过全波谱扫描和总有机碳检测研究了电芬顿对甲基橙的降解。

2 结果与讨论

2. 1 电流对 H 2O 2浓度的影响

由图 2 可知,H 2O 2浓度随着电解时间的增长而升高,在 15 mA  条件下,电解 120 min,累计浓度达到15 mg / L 左右。增大电流可以提高 H 2O 2产量,当电流增大到 25 mA ,相同的电解时间,H 2O 2浓度可达19 mg / L 左右。然而电流进一步增大到 50 mA ,电解120 min,H 2O 2浓度仅增大到21 mg/L 左右。此外,由图 3 可知,随着电解时间增长,电解产生 H 2O 2的电流利用效率逐渐降低。15 mA  条件下,初始 20 min,电流利用效率为 36. 91% ,电解 120 min,电流利用效率降低到 16. 98% 。增大电流,电流利用效率逐渐降低,特别是电流从 25 mA  增大到 50 mA  时,电流利用效率显著降低。

在电解过程中,随着 H 2O 2浓度逐渐升高,H 2O 2在阳极氧化的分解副反应逐渐增大,因此,随着电解时间的延长,电流利用效率逐渐降低[8]。此外,除了产生 H 2O 2,电解过程中还存在析氢副反应[9]。随着电流增大、电解电压逐渐增加,析氢副反应、H 2O 2在阳极分解也越来越显著。因此,当电流从 25 mA 增大到 50 mA ,H 2O 2累计浓度并没有显著提高。综合考虑,本研究的最佳电流为 25 mA 。2. 2 在不同的氧流量条件下对 H 2O 2产量的影响氧气流量对溶解氧浓度具有重要影响,进而影响了 H 2O 2产 生。由 图 4 可 知,当 氧 气 流 量 为50 mL  / min 时,电 解 120 min,H 2O 2累 计 浓 度 为19 mg / L 左右。当氧气流量增到到 100 mL  / min,H 2O 2产量显著提高,增大到 36 mg /L 左右。氧气流量进一步增大到 150 mL /min,H 2O 2产量并没有显著提高。与 H 2O 2累计浓度相近,增大氧气流量显著提高了电解产 H 2O 2的电流利用效率。由图 5 可知,在 100 mL /min 条件下,初始 20 min 电流利用效达到 42. 52% ,电解 120 min 电流利用效率也达到22. 15% 。增大氧气流量可以提高溶解氧浓度,促进了溶解氧电还原,进而提高了 H 2O 2产量[10]。

2. 3 初始浓度对染料废水降解的影响

实验条件: 氧气流量 100 mL /min,电流 25 mA ,Fe 2 +5 mg / L 时,初始浓度对染料废水降解的影响见图 6。

由图 6 可知,处理 30 min,初始浓度为 50 mg /L 的甲基橙浓度降低到 6. 88 mg /L。虽然提高初始浓度会增大染料废水处理所需时间,但是 150 mg /L 的甲基橙废水,处理 30 min,染料废水浓度依然降低到18. 29 mg / L。处理 60 min,3 种不同初始浓度的染料废水降解率都达到 95% 左右。因此,电芬顿可以快速降解染料废水。

2. 4 Fe 2 +对染料废水降解的影响

由图 7 可知,初始浓度为 100 mg/L 的甲基橙废水,当 Fe 2 +浓度从 5 mg/L 增大到 15 mg/L 时,处理10 min,甲基橙浓度从 100 mg / L 降低到 40. 52 mg / L。在电芬顿过程中,具有强氧化性的羟基自由基是由H 2O 2和 Fe 2 +反应产生的,因此 Fe 2 +浓度对羟基自由基的浓度具有重要影响,进而影响了甲基橙降解。适当提高 Fe 2 +投加量可以提高甲基橙的降解速率。

2. 5 甲基橙染料废水的矿化

通过检测甲基橙在最大吸收峰的吸收只能确定染料分子的发色团被降解,并不能反映出有机染料有没有被彻底矿化。处理不同时间的废水全波谱扫描见图 8。

由图 8 可知,除了发色团在 477 nm 处的吸收峰,甲基橙在 277 nm 也有吸收峰。这是因为甲基橙分子中含有苯环[11]。染料废水处理 60 min,不仅477 nm 处的吸收峰基本消失,277 nm 处的苯环吸收峰也显著降低,说明电芬顿不仅降解了染料分子中的发色团,也破坏了苯环结构。此外,由图 9 可知,处理 60 min,甲基橙染料废水的 TOC 降低了 23% 左右,处理 180 min,甲基橙 TOC 去除率达到 40% 左右。因此,与降解发色团实现脱色相比,

3 结论

使用碳毡作为阴极电解制取 H 2O 2的浓度在电流 25 mA ,氧气流量 100 mL /min 条件下,累计浓度可以达到 35. 13 mg /L。碳毡电芬顿可以有效降解甲基橙染料废水,处理 60 min 降解率达到 9. 66% 。然 而 甲 基 橙 矿 化 需 要 更 长 的