杭州沃特环保工程有限公司
摘要：本文采用活性炭吸附-电氧化联合技术处理有机废水，考察了电流密度、pH、GAC投加量等因素对对甲酚去除效率的影响，探讨了吸附-电氧化体系的降解机理，并研究了活性炭对于吸附-电氧化技术的强化作用。
关键词；活性炭；电化学氧化；H2O2；羟基自由基
一、前言
有机废水的综合治理已成为当代环境工作亟待解决的重大问题之一。随着工业经济的迅速发展，有机废水的排放量增加很快，对环境和居民身体健康产生了较大的影响。含酚废水便是其中的重要污染物之一，但由于其难生化，常规的生物法不适用，急需新的技术支持。近年来，电化学方法作为一种环境友好技术，在处理工业废水方面越来越受到人们的重视。电化学氧化技术在生活污水和工业废水的处理中已有一定的应用研究与工程应用，并取得良好的效果。方建章等人[1]通过电解还原氧气生成强氧化性物质来处理染料废水，电解30min，脱色率和CODCr去除率分别为90.5％和76.7％，电解废水50.0min，脱色率和CODCr去除率分别为100.0％和83.1％。本文以对甲酚为特征污染物，采用活性炭-电氧化联合技术作为研究体系，考察了如电流密度、pH、GAC投加量等因素对有机污染物的处理效果，并通过测定反应过程中H2O2浓度来探讨反应机理。
二、实验装置及分析方法
1、 实验试剂
对甲酚、去离子水、无水硫酸钠、氢氧化钠、草酸钛钾、颗粒活性炭、过氧化氢、氨水。
2、 实验仪器
PHB-4便携式型精密PH计、AL104电子天平、85-1磁力搅拌器、QJ2002A直流电源、LC-2010高效液相色谱、电导率仪、钛基二氧化铅网状电极（阳极）、不锈钢电极（阴极）、紫外分光亮度计。
3、实验装置及流程
实验装置：反应器为自制柱状玻璃反应器，直径53mm，高127mm，容积约为0.28L。阳极为钛基二氧化铅网状电极，接电源正极；阴极为不锈钢电极，接电源负极。电极的规格为40×55mm，阳极和阴极的间距为20mm。用移液枪取样。
实验流程：先对反应器和电极用去离子水进行冲洗，用去离子水配制成一定要求的对甲酚溶液（水样），称量一定质量的活性炭，放入反应器中；接着在反应器中插入电极并通电，调节至所需电流大小，再打开磁力搅拌器，并开始计时；每30min取一次样，取4h。结束后，把样品统一用液相色谱仪进行测定。
三、实验结果与分析
1、 GAC投加量的影响
图3.1 GAC投加量对对甲酚去除率的影响（条件：室温，原水pH值，电流密度100 A?m-2。）
当GAC投加量为0，即单独电氧化条件下，反应4小时后，溶液中的对甲酚浓度从306.47 mg ?L-1降至104.68 mg ?L-1左右，去除率为65.84%。随着活性炭投加量的增加，对甲酚的去除率也相应增加。
2、电流密度的影响
图3.2 电流密度对对甲酚去除率的影响（条件：室温，原水pH值，GAC投加量500 mg ?L-1。）
当电流密度为0时，即单独活性炭吸附条件下，经过4个小时的反应时间，对甲酚的去除率仅为17.25%；而当电流密度为200 A?m-2时，对甲酚的去除率则高达85.54%。
3、pH值的影响
图3.3 pH对吸附-电氧化体系的影响（条件：室温，电流密度100 A?m-2，GAC投加量500 mg ?L-1。）
在pH=3.99时，降解效果最好，与最差的相差大约6.7%。随着pH的升高，对甲酚的去除率呈下降趋势。当pH上升到6.00—8.00范围内，对甲酚去除效果几乎没变化。而当pH再升高时，降解效率又开始下降。
4、吸附-电氧化降解机理
在吸附-电氧化体系影响因素的研究中，我们得出了最佳实验条件（GAC投加量500 mg ?L-1，电流密度100 A?m-2，pH=4）。现在，在该条件下再次进行实验，通过测定反应过程中H2O2浓度来探讨反应机理。
单独电氧化和吸附-电氧化在降解对甲酚过程中溶液H2O2的浓度如图3.4所示。随着时间的增加，溶液中H2O2浓度也随之增大。在开始的2.5小时内，H2O2浓度上升幅度较大，而后1小时内趋于平稳，然后再迅速升高，与对甲酚浓度的降解趋势基本相符，经过4小时的反应时间，吸附-电氧化产生的H2O2是单独电氧化的1.5倍。这表明，活性炭在反应中并不只是充当吸附剂的作用。颗粒活性炭在磁力搅拌器的作用下分散在反应器中，形成无数的微电解槽，使电极的反应面积增大，也相应提高了传质和反应速度，因此产生的H2O2的量也较多。再者，活性炭通过吸附作用使有机物富集在其表面，有机物能够直接在活性炭表面进行电氧化反应使其降解，活性炭对电氧化有催化作用。
图3.4 不同工艺对溶液中H2O2浓度的影响
陈卫国等研究认为，在酸性条件下，电极上发生反应：O2 + 2H+ + 2e → H2O2，且H2O2转化生成具有更强氧化性的?OH，Boehm[2]指出，活性炭、炭黑等炭质材料同有机或无机过氧化物反应能在表面产生具有强氧化性的自由基。Donnet[3]指出固体炭材料能分解各种过氧化物产生自由基，并测定了特定条件下表面自由基的数量。Leon 等[4]也指出，由于活性炭表面存在着羰基官能团，这些官能团的存在能促使过氧化氢产生一定的羟基自由基。因此，吸附-电氧化体系不仅产生更多的H2O2，也具有更多氧化性更强的?OH，在两者的氧化作用下，使得对甲酚的降解更加迅速。
四、结论与建议
在本系统中，吸附-电氧化的最佳实验条件为GAC投加量500 mg ?L-1，电流密度100 A?m-2，pH=4；
在最佳实验条件下，吸附-电氧化对对甲酚的降解效率比单独电氧化提高了16.86%。同时，活性炭能促进电氧化反应中产生更多的H2O2，对电氧化具有协同催化作用。吸附-电氧化法处理有机物废水，在废水处理领域，还只是一种较新的方法。一方面，需要开发具有更高催化活性、高的析氧过电位和高寿命的阳极材料，设计出高效率的电化学反应器；另一方面，要从微观的角度研究污染物降解过程的机理，发展具有可操作性的数学模型，为优化反应条件提供理论依据。
参考文献：
[1]方建章，张再利，雷恒毅，等.电生成强氧化剂处理染料废水试验研究[J].水处术，2004，30（3）：173-175
[2]Casellato.U，Cattarin.S，Musiani.M.Preparation of porous PbO2 electrodes by electrochemical deposition of composites[J].Electrochimica Acta，2003，48：3991-3998.
[3]Boehm H P1 Some aspect s of t he surface chemist ry of carbon blacks and ot her carbons 1 Carbon，1994，32（5）：7592769.
[4]Donnet J B1 The chemical reactivity of carbon1 Carbon，1968，6（2）：161 2176.
论文作者:杨迪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
标签：甲酚论文; 活性炭论文; 电极论文; 电流论文; 废水论文; 密度论文; 浓度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;