电催化氧化技术处理硝基苯废水的试验研究

摘要：用实验室自制的活性炭粒子填充电极电催化氧化反应器对模拟硝基苯废水进行了降解处理。初步探讨电催化氧化反应的机理，考察了电流强度、反应时间、进水浓度等对硝基苯去除率的影响。用一元线性回归方程对不同初始浓度和电流强度降解后硝基苯的相对残余浓度对反应时间的相关性进行了分析， 结果发现相关系数大于临界相关系数，硝基苯的降解符合表观一级反应动力学模型， 求出了各反应条件下的一级速率常数。通过用soss软件分析， 表明不同的初始浓度和电流强度下ln(CO/C)对时间的相关性显著。实验结果表明， 在本实验条件下， 硝基苯的去除率达到95%以上， 能有效的催化降解硝基苯。

        硝基苯类化合物是剧毒物质， 是我国环境保护中优先控制的52种有害物质之一。 具有致癌、致突变性或生殖毒性， 且难生物降解， 许多国家都将其列为优先控制的污染物。目前国内一般采用次氯酸钠、臭氧等化学氧化法； 活性炭吸附、萃取等物理方法； 传统的生化法或其他高级氧化技术处理硝基苯废水。生物法虽然具有易控制、无二次污染、出水水质好等优点，但由于处理速率慢而大大限制了该技术的实际应用。近年来利用电、磁、光和声等物理、化学过程产生大量自由基的电化学氧化技术处理有机废水， 特别是难于生物降解的持久性有机污染物(POPS)， 已越来越受到人们的关注。

        以实验为基础， 通过活性炭粒子填充电极间的电催化反应器对模拟硝苯废水进行预处理， 使生物难降解的硝基苯转化为易生物降解的苯胺， 探索有效削减废水毒性、提高废水可生化性的途径， 探讨电催化氧化技术中主要因素对硝基苯去除率的影响规律。

        1、实验原理与设计

        1.1电催化反应机理

        一个完整的有机物电化学降解过程包括两个方面： 一是使污染物在电极上发生直接电催化反应而转化的“ 直接电化学过程”，二是利用电极表面产生的强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变的间接电化学过程。本研究采用的反应器是在传统二维电解槽电极间装填活性炭粒子并使装填的活性炭粒子表面带电。填充在电解槽内的粒子在高梯度的电场作用下， 感应而复极化为复极性粒子， 即在粒子的一端发生阳极反应， 另一端发生阴极反应， 整个粒子成了一个立体的电极， 粒子之间构成一个微电解池， 整个电解槽就由这样一些微电解池组成。有机污染物在二维电极和这些小的复极性电极上发生氧化反应或被电极上产生的一些羟基自由基和新生态氧等其它中间氧化物氧化分解。

        电催化氧化的机理主要是自由基反应。在电催化条件下， 反应体系中将产生多种强氧化性物质，其中·OH 的产生量是最多的， 而反应过程中产生的活性中间体 H2O2则是形成自由基的重要引发剂。有机物（R）在·OH 作用下， 发生快速氧化反应及自由基链反应，从而达到去除的目的。但是若 H2O2 浓度过高时， 过量的 H2O2也会消耗·OH  。此外，溶液中过量的H2O2也会与·OH 反 应 生 成 过 氧 化 羟基自由基（·HO2） ， 而·HO2 的氧化性能相对于·OH 较弱。

        表1列出了电催化体系中可能产生的部分强氧化性活性物质及其标准还原电极电势。从表中可以看出， 它们都具有相当高的还原电势， 因此能够氧化大多数有机物。
 

       1.2实验方法与仪器试剂

        方案设计： 实验装置见图1， 配制不同浓度的硝基苯废水通过恒流泵1和流量计2由下而上注入电催化反应器底部的布水槽均匀进入反应器3， 进行电催化氧化处理， 反应器由直流稳压电源4供电。监测指标为硝基苯的质量浓度， 采样点为反应器的进水口和出水口。要求经过处理后硝基苯的出水浓度符合《 污水综合排放标准》GB8978-1996 的一级排放标准（硝基苯≤2.0mg/L） 。

        电催化氧化法降解有机物的过程中一般的影响因素有： 加入电解质的浓度、反应时间、原水浓度、原水ｐＨ值、电流强度、反应温度和催化剂等。本实验由于未加电解质和催化剂， 又考虑到反应器的阴极材料为钢板网， 当ｐＨ值≤７时很容易被酸化腐蚀， 所以配置的模拟废水ｐＨ值为中性或偏碱性。本实验中主要考察进水质量浓度、电流强度、停留时间等对硝基苯降解效果的影响规律。

        仪器： ＵＶ－ ２４０１ＰＣ岛津扫描紫外可见分光光度计； 自制的电催化反应器； 流量计； ＢＴ０１－ １００兰格恒流泵； 全力ＷＹＪ－ ３０Ｖ－ １０Ａ直流稳压电源。

         废水及主要试剂： 硝基苯废水采用人工配水。试剂均用分析纯， 主要为硝基苯、萘乙二胺盐酸盐、锌粉、氨基磺酸铵等。

        分析方法： 降解样品的硝基苯含量测定采用还原－ 偶氮光度法，于５４５ｎｍ波长处测量吸广度。方法的最低检出质量浓度为０．２ｍｇ／Ｌ。

        2实验结果与讨论

        2.1对比实验

         三组实验中， 进水浓度都为 １５３．５０ｍｇ／Ｌ， 停留时间 ４０ｍｉｎ，其中活性炭吸附实验中， 取新鲜活性炭， 当活性炭吸附饱和时， 硝基苯的去除率将明显下降。对比电解法、活性炭吸附法和活性炭填充电极电解吸附法处理硝基苯废水的效果，结果如图 2。
 

         从图2可以看出， 活性炭填充电极电解吸附法处理效果明显优于电解法和活性炭吸附法。这说明活性炭填充电极电解吸附法不是电解法、活性炭吸附法的简单加和，而是另有机理。活性炭填充电极电解吸附法实质上是一种电极过程。在电解反应器中， 加入活性炭，相当于将原来的二维电场转化为三维电场，反应界面增大，从而产生了更多的微气泡。产生的微气泡对溶液进行了强制对流，从而加速了液相传质速度， 也可加速反应速度， 提高硝基苯的去除率。

        2.2 电流强度对硝基苯去除率的影响

        本实验中的去除率是指电催化过程中硝基苯在反应器进水口浓度减去出水口浓度后对进水浓度的比值， 反映了硝基苯的降解效果。固定硝基苯的进水质量浓度， 使硝基苯废水在反应器中经过不同的停留时间， 每一停留时间内对电催化反应器加以不同的电流强度， 分别测定出水的硝基苯质量浓度。试验结果
见图3。

        由图3可知， 随着电流强度的增大， 硝基苯出水的浓度降低， 去除率也在不断增大。当电流强度达到２．０Ａ 时， 硝基苯的去除率趋于稳定， 此时再增大电流，去除率的增加不明显。初步分析其原因， 一方面随着电流强度的增加， 溶液中的·ＯＨ 浓度上升， 硝基苯的去除率也上升， 当吸附的·ＯＨ 达到一定值后， 失活增多， 从而限制了去除率的进一步提高。另一方面在电催化氧化硝基苯的过程中， 主要的竞争副反应是发生在阳极表面及其附近的水分解反应，即 Ｏ２ 逸出，反应式如下：

        ２Ｈ２Ｏ－ ４ｅ→４Ｈ＋＋Ｏ２↑

        因此，为促使反应进行并提高电氧化效率，必须保证阳极具有较高的 O2逸出电位， 在电催化反应器中，随着更多的 O2 微气泡的产生， 促使溶液进行强制对流， 而且加速了液相传质速度。同时由于活性炭本身既可对硝基苯进行表面吸附，加速反应速度， 还可起到催化作用。这一切，都加速了反应速度，使得电解反应加速进行，同时对活性炭进行解吸。当吸附、解吸、电解达到平衡时，反应去除率达到稳定。

        从图 3可以看出， 施加在反应器上的最佳电流强度为2.0A。

        2.3 停留时间对硝基苯去除率的影响

        硝基苯废水固定进水浓度， 在反应器通以最佳电流强度2.0A的情况下在反应器中停留不同的时间，测定其出水浓度。试验结果见图4。

        从图 4可以看出， 硝基苯去除率随着停留时间的增加而增加， 反应时间在15—80min内硝基苯去除率增加较快， 当反应时间为80min时硝基苯去除率达到97.71%，80min以后硝基苯去除率趋于平缓并略有下降， 这是由于硝基苯的去除趋于完全所致， 因此再增加停留时间对硝基苯的去除率影响不大。

        2.4 进水质量浓度对硝基苯去除率的影响

        在不同停留时间， 电流强度＝2.0A情况下， 不同的进水质量浓度在反应器中处理， 测定其出水浓度。试验结果见图5。

        从图５可以看出， 通过相同的电量时， 硝基苯的去除率随着进水的质量浓度上升而增加， 在浓度低于125.70mg/L时， 硝基苯的去除率基本呈线性变化， 当浓度高于125.70mg/L时， 随着浓度的上升去除率不再明显提高， 个别情况当停留时间t=15或30min时， 硝基苯去除率甚至略有下降。分析其可能的原因， 一方面由于反应受制于反应过程中产生的自由基的浓度， 相同面积的电极在单位时间内生成的自由基的量同通过的电量有关， 同时反应在电极表面进行， 受到了扩散速度的影响； 另一方面电极间装填的活性炭粒子随着浓度的增加和反应时间的延长， 本身所具备的吸附能力已达到饱和， 因此浓度的增加对活性炭粒子的吸附已影响不大。

        2.5 连续运行条件下硝基苯的去除情况

        在同样的停留时间(40min)下连续运行， 硝基苯的出水浓度及去除率见图 6。
 

       从图6可以看出， 在连续运行条件下， 当硝基苯的进水浓度在110mg/L—310mg/L之间波动时， 硝基苯的出水浓度都在2mg/L以下， 符合《 污水综合排放标准》(GB8978-1996) 的一级标准中规定的硝基苯2.0mg/L的要求。

       2.6  硝基苯降解反应动力学的初步探讨

        我们知道有机物的电催化降解主要是由羟基自由基作用的结果。其降解的反应速率方程可表示为：

        － ｄ［Ｒ］／ ｄｔ＝ｋ［·ＯＨ］［Ｒ］

        式中： Ｒ有机物分子； ｋ为反应速率常数； ［·ＯＨ］为羟基自由基浓度。由于活性物质羟基自由基有很高的反应活性， 假设处于假稳态， 则有ｄ［·ＯＨ］／ｄｔ＝０， 从而［·ＯＨ］＝常数。这样，有机物浓度随降解时间的变化可用以下表观一级反应动力学关系式来表示：

        ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）＝ｋｔ＋ａ

        式中： ｋ为表观一级反应动力学速率常数 （ｓ－１）； ｔ为反应时间（ｓ）．

         研究不同初始进水浓度和不同电流强度下的ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）与反应时间ｔ的关系， 见图７和图８。

         由图７和图８可知， 在不同的实验条件下，ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）与反应时间ｔ基本成线性关系。

        用一元线性回归方程对图 ７ 和图 ８ 中不同初始浓度和不同电流强度下硝基苯的相对残余浓度对时间 ｔ 的相关性分析表明， 一级回归方程的相关系数大于临界相关系数（Ｒ＞０．９５）， 说明硝基苯浓度随降解时间的下降遵循表观一级反应动力学模型。一级速率常数 Ｋ 见表 ２ 和表 ３。表 ２ 和表 ３ 数据表明， 在本实验反应条件范围内， 硝基苯的氧化降解速率常数随初始浓度和电流强度的增加而增大。
 

         应用ｓｐｓｓ软件分析图７和图８中的数据表明， 在初始浓度为３６．８２ｍｇ／Ｌ和１３９．５８ｍｇ／Ｌ下， 时间对ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）的相关性极显著（ ｐ＜０．０１） ， 在初始浓度为２６１．８５ｍｇ／Ｌ下， 时间对ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）的相关性显著（ ｐ＜０．０５） 。而在不同的电流强度下， 时间对ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）的相关性显著（ｐ＜０．０５）。所以， 在不同的初始浓度和电流强度下ｌｎ（Ｃ０／Ｃ）对时间的相关性显著， 这就说明了初始浓度和电流强度对硝基苯的降解有较大的影响。

        ３ 结论

        电催化氧化反应器处理硝基苯废水的实验研究表明：

        （ １） 活性炭填充电极电解吸附法处理硝基苯废水，处理效果明显优于电解法、活性炭吸附法。

        （ ２） 该技术可以提高废水中硝基苯的去除率， 电流强度和原水浓度对硝基苯的降解影响较大。随着电流强度增大，硝基苯的去除率相应增加。在本实验的条件下， 当电流强度增大到２．０Ａ时，硝基苯的去除率高达９８％。硝基苯废水的原水浓度的提高有利于电催化反应的进行， 同时硝基苯的去除率也有所增加， 硝基苯废水在反应器中的停留时间也影响去除率， 一般来说停留时间加长有利于去除率的提高。

        （ ３） 硝基苯的电催化氧化降解符合表观一级反应动力学模型。该技术对处理高浓度难降解有机污染物具有较好的发展潜力， 通过进一步研究和完善可形成一项实用废水处理技术。