有/无隔膜体系电化学法降解甲基橙对比试验

金 秋， 戴美月， 郑雪婷， 刘世桐

(1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院， 辽宁 沈阳 110168； 2.沈阳市生态环境局和平分局， 辽宁 沈阳 110000 )

印染废水成分复杂，色度高且生化性很差，必须经过有效处理才可排入自然水体，否则会对水体环境造成严重威胁[1-3]。电化学技术具有操作简单、处理过程清洁等特点，在污水处理领域受到了越来越多的关注[4]。钛基DSA电极具有优良的电催化活性，氧化物涂层寿命长且耐腐蚀。常常将DSA作为阳极材料，利用电解生成的强氧化性自由基有效降解有机污染物[5-6]。然而阴极还原反应产生的电解产物与阳极不同，并不能生成足够的具有强氧化性的自由基，因此降解效率低于阳极[7]。笔者以甲基橙为目标污染物，在自制的电化学反应器中设置涤纶729隔膜装置，选用钛基钌铱涂层电极作为阳极、钛板作为阴极，研究对比了电化学阴极还原和阳极氧化共同作用下的降解效果。

1 试验部分

试验采用自制的电化学反应器，如图1所示。

图1 试验装置示意Fig.1 Sketch of test device

在自制的电化学反应器中进行试验，选取RuO2-IrO2/Ti阳极为极板，催化活性耐电接触摩擦，阴极为钛板，反应器中间固定涤纶729隔膜。将模拟甲基橙废水投入反应器中，然后加入一定量电解质和酸碱试剂。对甲基橙废水每10 min进行间隔阴、阳极室分别取样，试验共进行60 min。采用4-氨基安替比林直接光度法测定甲基橙。

2 结果与讨论

2.1 对甲基橙的去除效果

2.1.1甲基橙脱色率

从表1和图2可以看出，反应60 min时隔膜体系对甲基橙的平均去除率达到94.91%，而无隔膜体系为75.21%。隔膜体系对甲基橙的脱色率大于无隔膜体系，说明隔膜体系对甲基橙的破坏能力更强，优势明显。

表1 隔膜体系对甲基橙废水的脱色率Tab.1 Decolorization rate of methyl orange by the diaphragm system %

图2 有/无隔膜体系对甲基橙的脱色率Fig.2 Decolorization of methyl orange by system with or without diaphragm

2.1.2COD去除率

随着电解时间的延长，COD去除率逐渐升高。电解60 min后，隔膜体系内COD平均去除率为73.08%，优于无隔膜体系的60.00%，见表2和图3。

表2 隔膜体系对COD的去除率Tab.2 Removal rate of methyl orange by the diaphragm system %

图3 有/无隔膜体系的COD去除率Fig.3 Removal rate of COD by system with or without diaphragm

2.2 电化学能耗分析

2.2.1无隔膜体系的能耗方程

无隔膜体系内在不同电压下的电流值和阴、阳极室内染料的脱色率见表3。

无隔膜体系中，拟合数据得到电压与电流以及脱色率之间的关系曲线[8-9]分别为：I=0.033U+0.02，R2=0.997 3；E=0.916U+53.874，R2= 0.990 1。

通过换算得到：

表3 无隔膜体系中不同电压所对应的电流值和脱色率Tab.3 The current and decolorization rate under different voltages in system without diaphragm %

U=1.080 9E-58.174

(1)

I=0.035 7E-1.899 7

(2)

反应体系消耗电能的计算公式为：

W=UIt

(3)

将式(1)、式(2)代入能耗公式，得到无隔膜电化学体系能耗与脱色率的关系式：

W=(0.038 6E2-4.13E+110.51)t

(4)

2.2.2隔膜体系的能耗方程

隔膜体系内，不同电压下的电流和阴、阳极室内染料的脱色率见表4。

表4 隔膜体系中不同电压所对应的电流和脱色率Tab.4 The current and decolorization rate under different voltages in the diaphragm system

采用相同的方法，拟合得到隔膜体系中阴极室内电压和电流、脱色率的关系分别为：I=0.053U+0.01，R2=0.993 0；E=2.251 5U+50.403，R2=0.999 9。最终得到阴极室内能耗与脱色率的关系式为：

W1=(0.011E2-1.07E+26.64)t

(5)

阳极室内电压和脱色率的关系如下：E=2.587 5U+65.929，R2=0.995 3。能耗与脱色率的关系式为：

W2=(0.008E2-1.01E+33.63)t

(6)

2.2.3电化学法能耗对比

建立有/无隔膜体系电化学法的数学能耗模型，从能耗的角度对比两者的差异。两个体系的反应时间相同，可以假设反应时间t为常数[10-11]。无隔膜体系的能耗公式可简化为：W=0.038E2-4.13E+110.51；隔膜体系的阴极能耗公式可简化为：阴极，W1=0.011E2-1.07E+26.64；阳极，W2=0.008E2-1.01E+33.63。

以染料的脱色率为自变量，所对应的W/W1、W2和W1/W、W2/W值如表5和图4所示。

表5 有/无隔膜体系脱色率与能耗的关系Tab.5 The relationship between the rate of decolorization and energy consumption of system with or without diaphragm

图4 有/无隔膜体系的能耗对比Fig.4 Comparison of energy consumption between system with or without diaphragm

由图4可以看出，隔膜体系和无隔膜体系的能耗都呈现随脱色率的增大先降低后升高的规律，无隔膜体系在脱色率为50%时的能耗最低，隔膜体系在脱色率为60%时的阴、阳极能耗均最低。只有在脱色率为50%和60%时，无隔膜体系的能耗低于隔膜体系能耗，但差别不大。在脱色率为90%时，W1/W为0.38，W2/W为0.16，说明隔膜体系具有明显的节能优势，更适用于对染料废水的处理，且阳极的能耗低于比阴极。

3 结论

① 在相同条件下，隔膜体系电化学氧化法对甲基橙的的有更好的降解效果，平均脱色率为94.91%，COD平均去除率为73.08%。无隔膜体系对甲基橙的脱色率为75.21%，COD去除率为60%。

② 隔膜体系电化学氧化法的能耗低于无隔膜电化学氧化法，在脱色率为90%时，隔膜体系中阴极室的能耗仅为无隔膜体系的38%，阳极室的能耗仅为无隔膜体系的16%。说明采用隔膜体系电化学氧化法降解染料废水的效果较好，能耗较低，适宜实际应用。