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电催化+臭氧氧化技术处理难生化有机废水解决方案

发布时间:2023-01-15人气:

随着现代工业发展,工业废水排放量日益增加,成分日益复杂,其中含有高浓度难降解有机污染物工业废水的处理一直是困扰大家的难题。电催化氧化技术是在电极表面的氧化作用下或由电场作用而产生的自由基作用下促使有机物氧化分解的技术。近来,利用电催化氧化技术处理难生化有机废水的方法逐渐引起关注。臭氧+电催化实验装置

p14-icon11.png 1 电催化氧化技术基本原理


电催化氧化基本原理可以从催化阳极的作用方式和污染物的降解程度两个方面解释[1]。从催化阳极的作用方式来看,基本原理分为两种:直接氧化和间接氧化。从污染物的降解程度来看,基本原理分为电化学转化和电化学燃烧两种。催化电极主要分为二维电极和三维电极。

p14-icon11.png 2 二维电极催化氧化处理有机废水的研究进展


钛基涂层电极(DSA电极)是目前应用广泛的工业电极,主要有钛基二氧化铅涂层电极、钛基二氧化锡涂层电极、钛基铱系涂层电极等。

钛基二氧化铅(PbO2/Ti)电极具有氧发生电位高、氧化能力强、耐腐蚀性好、导电性好等优点。冯玉杰等[2]以电沉积法制备了钛基PbO2电极,研究了此电极对苯酚的电催化氧化性能。研究结果表明,在10mA/cm2电流密度下通过0.72Ah电量后,可使100mL、COD浓度为270mg/L的苯酚溶液中的苯酚完全分解,COD去除率为67.4%。并提出苯酚的电催化氧化机理可能是由苯酚的直接电化学氧化为苯醌及苯醌的间接电化学氧化为有机酸两部分组成。

梁镇海等[3]考察了钛基二氧化锡电极对苯酚的降解效果,采用热分解法制备了钛基二氧化锡电极来降解苯酚,结果表明,苯酚转化率达到96.5%,其电催化性能优于传统单质铅电极和Ti/PbO2电极,是一种优良的电催化剂。

谢实涛等[4]以自制Ti基RuO2-IrO2镀层形稳电极为阳极,采用电催化氧化处理偶氮染料甲基橙模拟废水。得出以硫酸钠为支持电解质的情况下,在自然pH、电极间距为1.0cm、电流密度为30.0mA/cm2、电解质硫酸钠浓度为20.0g/L、电解1.0h,甲基橙去除率高达90.0%以上。电催化氧化法作为一种高效简便的染料废水处理技术,具有一定的应用潜力。

p14-icon11.png 3 三维电极催化氧化处理有机废水的研究进展


三维电极是一种新型的电化学反应器,也叫粒子电极,它是在传统的二维电解槽电极间装填粒状或其它碎屑状工作电极材料,使装填工作材料表面带电,成为新的一极(第三极),在工作电极材料表面能发生电化学反应。应用比较广泛的电极材料主要为金属导体、导电陶瓷、铁氧体、石墨及活性炭等。

作为一种新型的三维电极,活性炭-纳米二氧化钛电极受到研究者的广泛关注。刘占孟[5]使用活性炭-纳米二氧化钛催化剂对偶氮染料甲基橙溶液进行电催化氧化降解实验,发现能有效的降解去除废水中的有机物,去除机理主要是基于生成的H2O2、˙OH氧化作用。

李国平[6]等采用自制的活性炭粒子群电催化反应器对氯苯和硝基苯生产废水进行处理。在槽电流20~25A、停留时间30min的条件下,氯苯生产废水中的氯苯质量浓度为3.3~109.9mg/L、苯质量浓度为13.1~395.7mg/L时,氯苯和苯的去除率分别在99%和97%以上,TOC和色度的去除率分别在71%和92%以上;

硝基苯生产废水中硝基苯、二硝基苯酚、对硝基氯苯的质量浓度分别为4.5~292.3,83.3~348.0,69.5~93.9mg/L时,硝基苯和二硝基苯酚的去除率分别在96%和99%以上,TOC和色度去除率分别在90%和98%以上,对硝基氯苯在出水中未检出。

王婧[7]等用粉末状活性炭作为粒子电极,选择石墨板和不锈钢板分别作为阳极和阴极,组成三维电极电化学反应器,研究了此反应器对邻氯苯胺废水的电催化氧化效果。实验结果表明:当槽电压为15.0V,溶液初始pH为3.0,支持电解质浓度为0.10mol/L,极板间距为2cm,电解时间为30min时,邻氯苯胺废水的COD去除率达到97.50%。由于三维电极电催化氧化作用,邻氯苯胺的苯环断裂,对邻氯苯胺有很好的降解效果。

p14-icon11.png 4 电催化氧化技术的组合和衍生技术


由于电催化氧化技术具有许多独到之处,可与其他技术相结合,使废水处理取得更好效果。

庄琳懿[8]等利用超声与电催化氧化技术耦合处理苯酚废水,发现超声辅助电催化氧化降解60min后,有中间产物甲酸、乙酸、苯酚,认为是水杨酸在˙OH的作用下,开环氧化降解生成乙酸和甲酸等小分子有机物,更后降解为二氧化碳和水。

曹学锋[9]等研究了电催化氧化和臭氧氧化联合使用处理高浓度有机废水,获得了良好的指标:控制电解及氧化时间为2h,调节pH至中性,控制电极板间距为1cm,控制电流密度为1×10-2A/m2,控制电压为29V,控制臭氧流量为1L/min,可达到高浓度有机废水中有机物去除率90%的效果。

郑苏丹[10]等将膜分离和电催化技术耦合处理高含量苯酚废水。发现此耦合技术相比单纯电催化对苯酚有更好的降解效果,在相同处理时间内可提高约40%的去除率,是一种可行的集成技术。

何冬冬[11]等采用絮凝和电催化氧化联合工艺处理某高浓度有机废水,发现控制适宜pH值,首先采用硫酸亚铁和氯化钙絮凝处理废水,再将上清液添加至电解槽中电解,调整pH值为7,电极板间距为10mm,电流密度为1A/m2,臭氧流量为1L/min,氧化处理2h,可去除实验废水中90%的有机物。

p14-icon11.png 5 结语


面对愈来愈严重的工业污水处理形势,虽然电催化氧化技术处理废水技术有一定局限性,但是此项技术的研究得到了更为广泛的重视。目前主要的研究发展趋势是研究电催化氧化技术基础理论、研制新的电极材料、开发新型高效电解反应器和电化学氧化工艺等方面。而电极作为电化学反应器的心脏,探索具有高析氧过电位、催化活性高、使用寿命长、电阻较小、导电率高、综合性能良好的电极材料更是研究重点。

p14-icon11.png【参考文献】


[1]矫彩山,孙艳,门雪燕,等.电催化氧化技术处理难生化有机废水的研究现状及进展[J].环境科学与管理,2007,32(1):107~110.

[2]冯玉杰,沈宏,崔玉虹,等.钛基二氧化铅电催化电极的制备及电催化性能研究[J].分子催化,2002,16(3):181-186.

[3]梁镇海,张福元,樊彩梅,等.钛基二氧化锡电极的制备及性能研究[J].稀有金属材料与工程,2007,36(2):278-281.

[4]谢实涛,孙南南,张传雷,等.RuO2-IrO2/Ti阳极电催化降解偶氮染料甲基橙模拟废水[J].环境工程学报,2015,9(4):1659-1662.

[5]刘占孟.活性炭-纳米二氧化钛电催化氧化降解有机物的基础研究[J].盐城工学院学报,2005,18(1):38-41.

[6]李国平,邱阳,夏明芳,等.用活性炭粒子群电催化反应器处理氯苯和硝基苯生产废水[J].化工环保,2006,26(4):299-302.

[7]王婧,孟庆函,曹兵.三维电极电催化氧化处理邻氯苯胺废水的研究[J].环境科学与技术,2012,35(7):86-89.

[8]庄琳懿,马前,宋卫峰,等.超声辅助电催化氧化降解水杨酸的研究[J].四川环境,2006,25(5):4-8.

[9]曹学锋,孟玮,孙磊,等.臭氧-电催化联合氧化处理高浓度有机废水[J].有色金属(选矿部分),2012,(3):32-35.

[10]郑苏丹,张永刚,张雪琴,等.膜分离-电催化氧化耦合处理高含量苯酚废水的研究[J].水处理技术,2013,39(5):57-60.

[11]何冬冬,刘润清,孟玮,等.絮凝-电催化氧化联合工艺处理某高浓度有机废水[J].有色金属工程,2014,4(4):68-70.


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