电化学氧化法处理模拟茜素红染料废水的研究

李慧婷

摘要：采用电化学氧化法，以Ti/PbO2-F电极为阳极，Ti为阴极，对模拟茜素红染料废水进行了电化学降解研究。讨论了电流密度、温度、隔膜以及电解质种类对茜素红降解脱色的影响。结果表明：20 ℃、电流密度为50 mA/cm2、Cl-浓度为2 g/L、无隔膜条件下，COD和色度的去除率达82%和81%。

关键词：电化学氧化法;Ti/PbO2电极;茜素红;降解

中图分类号：X703.1 文献标识码：A

近年来，随着国家对环保问题的日益重视，大部分印染企业严格遵守废水的排放标准，但仍有部分企业由于污水处理设备成本高、处理效果不达标等原因存在偷排现象，造成了严重的环境污染，因此印染废水的处理也受到人们的极大关注。茜素红是广泛应用在纺织工业中的一种人工合成蒽醌染料， 具有水溶性和高稳定[1]， 排放到河流中会影响到人类健康和水生生物的生存。这类染料有毒难降解物质多、可生化性差，增加了这类废水的处理难度，因此寻找一种新的更加有效的废水处理技术很有必要[2]。电化学氧化过程一般通过多步过程产生羟基自由基（.OH），这些自由基有很强的氧化性，可以把有机物氧化成可降解的小分子或CO2和H2O，破坏发色体系，使染料脱色。本研究采用电化学氧化法，以蒽醌染料代表茜素红为研究对象，研究了电流密度、隔膜、温度、氯离子浓度对茜素红模拟染料废水降解效果的影响，探讨PbO2-F电极电催化氧化处理茜素红模拟染料废水的规律。

1 实验

1.1主要仪器和试剂

实验主要仪器有571-1型COD消解装置、571型化学需氧量分析仪、Maya 2000 Pro紫外吸收仪、8511B型恒电流（压）仪、Parstat 2273电化学工作站。实验主要试剂有蒸馏水、茜素红、浓硫酸、重铬酸钾、氯化钠、硝酸银、硫酸钠，常用试剂均为分析纯。

1.2实验方法

以2×2cm2的Ti/PbO2-F电极为阳极，3×3cm2的Ti为阴极，用去离子水配置茜素红溶液，以0.2M的硫酸钠为支持电解质，控制电极间距为1.0cm，磁力搅拌，用恒电位仪恒电流电解，每隔一定时间取样，测定COD（化学耗氧量），染料的脱色率，电压等重要参数。降解装置如图1所示。

1.3分析方法及计算公式

（1）脱色率

其中X：染料的脱色率;A0：染料初始的吸光度;A：染料取样时的吸光度。

（2）COD

采用重铬酸钾法（GBll914-1989）

（3）平均电流效率（Average current efficiency ACE）

其中COD0：初始时刻的COD（g/L）;CODt（g/L）：t时刻COD;F：96，487 C/mol;I：电流密度;t：处理时间（s）;V：处理体积（L）。

2 结果与讨论

2.1电流密度对降解效果的影响

图2表示的是电流密度对降解效果的影响。从图中可以看出，在高电流密度下，COD和色度的去除率增加。这是由于电极表面发生H2O→（OH·）+H+，随电流密度的增加形成的（OH·）速率增加。但增大到60mA/cm2时，色度和COD的去除率却降低，这是由于析氧副反应加强。ACE在50mA/cm2时最高，60mA/cm2最低，这种变化也是由于析氧副反应的发生。50mA/cm2电流密度下降解效果最佳。

2.2温度对染料降解效果的影响

图3温度对COD去除率及色度的影响如图所示。从图可以看出，温度升高降解效果减弱。一般情况温度升高，电化学氧化的速率会增加，但是温度升高同时会导致析氧副反应增加，发生如下反应：H2O-2e→2H++1/2O2。因此，升高温度同时加速电化学氧化有机污染物也会加速析氧副反应，哪个反应占主导地位取决于有机污染物的性质和反应时的温度。同时，升高温度，ACE降低，说明温度升高，副反应加剧，电流效率降低。

2.3隔膜对降解效果的影响

在30mA/cm2电流密度下，对100mg/L的模拟染料在有隔膜的电解槽内进行恒电流降解，调节pH为3，阴阳极别为100mL。

加隔膜后阳极色度比不加隔膜的低，阴极的COD和色度基本没变。反应结束后阳极的pH降为1.58，阴极的pH升高为12.86，在阴极发生2H++2e→H2，阳极发生析H2O-2e→2H++1/2O2。茜素红的降解分为两步，首先茜素红在阳极开环氧化为小分子有机物，其次小分子有机物在降解为CO2和H2O等无机物。吸光度是在260nm处测得的，260nm处是蒽环的特征吸收峰，加入隔膜后阳极区吸光度要比不加隔膜的低，吸光度明顯减弱，说明蒽环打开。但加隔膜后阳极区COD去除率比无隔膜的COD去除率低，说明阴极的协同作用有助于中间产物和小分子有机物的降解。

2.4 Cl-对染料降解效果的影响

Cl-对COD去除率及色度的影响如图所示。从图可以看出，加入Cl-后COD和色度的去除率明显提高。此时的反应是具有氧化作用的含氯物质（Cl-、Cl2、OCl-等）与羟基自由基（OH.）共同与有机污染物发生反应使其氧化。而当Na2SO4为电解质时，使染料废水脱色的是OH.的直接氧化作用的结果，因此降解速率比加入氯化钠的低。随着NaCl浓度的升高，染料的脱色率和COD的去除率也上升，但上升的幅度不大，主要是因为氯化钠浓度增加，电化学氧化过程中生成的活性氯的量也增多，间接电化学氧化的能力加强。但是氯离子浓度较高时，产生的活性氯基本达到饱和，继续增加氯化钠的浓度对脱色率的影响不大。

2.5 茜素红处理过程中的紫外-可见吸收分析

谱图中260nm处是蒽环的特征吸收峰，430nm处是羰基的吸收峰，在不加氯化钠的情况下，随着时间的推移，260nm、430nm处的特征吸收峰同时下降，说明染料的蒽环结构和羰基结构在氧化过程中受到破坏。

加入氯化钠后，430nm处的特征吸收峰迅速将为0，说明羰基迅速被破坏，反应过程中可以观察到染料的颜色迅速变为无色，发色基团主要是羰基及其与苯环形成的超共扼结构，加入氯化钠后羰基的吸收峰迅速降为0，这说明染料废水的脱色主要是NaCl发生电化学反应的作用。

3 结论

采用电化学氧化法以PbO2-F電极为阳极，Ti电极为阴极，室温条件下电解，能够降解茜素红模拟染料废水。经过条件实验的研究，找到了各因素分别对色度、COD去除率和电流效率的影响趋势。隔膜对电解效果的影响不大，电流密度对去除率影响很大，整个反应过程受传质过程控制。氯离子加入后COD和色度的去除率明显提高。温度对电解效果起副作用。20℃、电流密度为50mA/cm2、Cl-浓度为2g/L、无隔膜条件下，COD和色度的去除率达82%和81%。

参考文献：

[1]Yunus R F，Zheng Y M，Nanayakara K G N，etal.Electrochemical removal of rhodamine 6G by using RuO2 coated Ti DSA[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2009， 48：7466-7473.

[2]Vandevivere PC，Bianchi R，Verstraete W.Treatment and reuse of wastewater from textile wet-processing industry：review of emerging techologies[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 1998， 72：289-302

[3]POLCARO A.M， VACCA A， PALMAS S， et al. Electrochemical treatment of waste water containing pHenolic compounds： oxidation at boron-doped diamond electrodes[J]. Appl. Electrochem， 2003， 33：885–892.

基金项目：内蒙古民族大学科学研究基金资助项目（项目编号：NMDYB15078）