电催化氧化电极性能对处理维尼纶废水效果的影响研究

孙剑飞,于明瑞,蔡月珍

(11浙江富春紫光环保股份有限公司,浙江杭州310012;21江苏省交通科学研究院,江苏南京210000;31临海市环境保护监测站,浙江临海317000)

电催化氧化电极性能对处理维尼纶废水效果的影响研究

孙剑飞1,于明瑞2,蔡月珍3

(11浙江富春紫光环保股份有限公司,浙江杭州310012;21江苏省交通科学研究院,江苏南京210000;31临海市环境保护监测站,浙江临海317000)

采用电催化氧化法对维尼纶废水进行处理,可实现达标排放。在自制的电催化氧化装置中进行了电极电催化氧化性能研究,结果表明,在相同的处理条件下,负载中间层+活性层的电极处理效果优于只负载中间层或活性层的电极;电极最佳负载成分为:Sn/Sb摩尔比为1;活性层Ru摩尔百分比为35%;中间层负载量为015g,即负载12次;活性层负载量为0148g,即负载15次。

维尼纶废水;电催化氧化;电极

在纺织业废水中,维尼纶、纤维素等难生物降解废水占很大比重,而且随着人造纤维的大量应用,维尼纶废水排放量也将不断增大。传统处理维尼纶废水的方法有生化法、超滤法[1,2]。工业维尼纶废水中BOD5/COD为0101～0104,生化性很差,常规的生物处理对维尼纶的去除率很低[3]。由于维尼纶化学性质稳定,因此,其生产废水排放后,会对环境造成极大的危害[4]。高级氧化技术可以克服生物、超滤等方法的局限,能够达到很好的处理效果,又可以实现工业应用[5]。而电化学水处理技术被称为“环境友好”技术,具有无需添加化学药剂、设备体积小占地少、便于自动控制、不产生二次污染等许多优点,受到国内外的关注。

在电催化氧化处理废水工艺中,最大限度地提高电催化氧化反应速度,提高电极电催化氧化活性一直是研究的焦点。电极活性不仅受电极主要活性组分的影响,而且受到电极制备工艺的影响[6]。本文研究了电极中各元素的负载成分、负载比例、负载量对电极电催化氧化性能的影响。

1 实验部分

1.1 电催化氧化电极的制备

1.1.1 载体预处理

以泡沫镍片作为电催化氧化电极的载体。载体经碱洗酸洗预处理去除表面的油污、有机物等杂质,清理表面可能存在的氧化物。

碱洗:将10gNaOH、10gNa3PO4和10gNa2CO3配成500ml的溶液,在电阻炉上加热至沸腾,将泡沫镍片浸于此溶液中30min,用蒸馏水反复冲洗干净。

酸洗:将碱洗后的泡沫镍片置于1wt%硫酸溶液中浸30min,用乙醇冲洗干净,自然晾干。

1.1.2 中间涂层的负载

称取1145gSb2O3、3151gSnCl4·5H2O(摩尔比Sb∶Sn=1∶1)完全溶解于16ml盐酸中,加入100ml正丁醇,搅拌、混匀,制得中间涂层液。将中间涂层液均匀涂刷于电极载体,100℃烘干,500℃烧结10min,反复8次后500℃烧结5h,制得电极基体。

1.1.3 表面层的负载

将CoCl2·6H2O、RuCl3按一定计量、比例溶于40ml乙二醇中,加入适量乙酰胺,搅拌均匀。再加入一定浓度柠檬酸,用氨水调节pH,在剧烈搅拌的情况下滴加蒸馏水,即得到溶胶。采用浸渍-提拉法涂膜,将制备好的电极基体以012cm/s的速度匀速提拉出液面,而后在空气中晾干10min,100℃烘干,在马弗炉中以5℃/min的速度升温至500℃后保温3h,重复以上步骤数次。

1.2 试验装置

图1为维尼纶废水电催化氧化降解试验装置。整个系统由直流稳压直流电源、磁力搅拌器、电解槽及附件等组成,电解槽采用聚乙烯材料制成,自制的电催化氧化电极连接电源正极,石墨板连接电源负极,废水降解效果以间歇批量方式取样测定,电解液体积为200ml,用NaCl作为电催化氧化电解质,用NaOH调解pH值,磁力搅拌器以一定的速度搅拌以模拟水体流动。

2 结果与讨论

2.1 负载成分对电极性能影响

实验条件为COD=1520mg/L,pH=710,电流密度为50mA/cm2,两极板间距3cm,电解质NaCl浓度300mg/L。以一定的速度搅拌,处理200ml的维尼纶废水,分别考察单独负载中间层、单独负载活性层、全部负载的情况下,电极对维尼纶废水的处理效果。

从图2中可以看出,不同组分的电极对维尼纶废水都有一定的处理效果,随着时间的增加,去除效果都有所增加;只负载活性层电极处理效果明显高于只负载中间层的电极,同时负载中间层和活性层后电极的废水去除效果高于只负载活性层电极,这说明活性层对电催化氧化处理效果影响较大,中间层的负载能够提高活性组分的催化氧化性能。

2.2 中间层组分热处理温度对电极性能影响

实验条件同上。以一定的速度搅拌,处理200ml的维尼纶废水,主要考察了不同中间层热处理温度(300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃)对维尼纶处理效果的影响。

从图3中可以看出,随着中间层热处理温度的升高,维尼纶废水的COD去除率不断升高,当温度升到500℃时,去除率最高;而后再升高温度,废水COD去除率有所下降。说明热处理温度对中间组分负载有很大的影响。温度过低时,锡锑的氧化物不能完全形成,从而使电极对废水COD去除效果降低;但温度过高时,又容易使组分在载体表面烧结。

2.3 活性组分热处理温度对电极性能影响

实验条件同上。以一定的速度搅拌,处理200ml的维尼纶废水,主要考察了不同中间层热处理温度(350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃)对维尼纶处理效果的影响。

从图4中可以看出,随着表面层热处理温度的升高,维尼纶废水的COD去除率不断升高,当温度升到550℃时,去除率最高;再升高温度,废水COD去除率有所下降。

2.4 中间层组分比例对电极性能影响

实验条件同上。以一定的速度搅拌,处理200ml维尼纶废水,主要考察了不同电极表层涂液中Sn、Sb摩尔比例(1∶2、1∶1、2∶1)对废水COD去除效果的影响。从图5中可以看出,不同Sn、Sb比例下,废水COD去除率都随着时间的增加逐渐增大;在相同的处理条件下,短时间内不同Sn、Sb比例下的电极去除效果相差不大,40min后Sn、Sb的摩尔比为1∶1的电极处理效果高于其他两种比例的电极,最高去除率可达70%以上,这说明中间层组分的比例对电极活性有一定的影响。

2.5 活性组分比例对电极性能影响

实验条件同上。以一定的速度搅拌,处理200ml维尼纶废水,主要考察了不同电极表层涂液钌摩尔含量(5%、15%、25%、35%、45%)对维尼纶处理效果的影响。

从图6可以看出,随着处理时间的增加COD去除率不断增长,当时间为40min后,去除率趋于稳定。在相同的处理条件下,随着钌摩尔含量的增加去除效果首先增加而后有所下降,当钌摩尔含量为35%时,废水COD去除率高于其他4种比例电极的去除率,其最高去除率可达71%,处理效果最好。

2.6 中间层组分负载量对电极性能影响

实验条件同上。以一定的速度搅拌,处理200ml的维尼纶废水,主要考察了不同中间层组分负载量(即不同负载次数)对维尼纶处理效果的影响。从图7中可以看出,不同中间层组分负载量的电极对废水COD去除率都随着处理时间的增加而增大。在相同的处理时间条件下,去除率首先随着负载量的增加而增大,当负载量为015076g时去除率达到最大,其最大去除率可达到75%,继续增大负载量,去除率基本不变。这说明015076g负载量为最佳负载量,当负载量较少时,由于中间层组分较少,中间层组分对废水氧化会减弱,同时还会影响活性组分的负载,从而去除率较低;中间层组分过多对电极的活性影响不大,但是负载量过多会造成浪费。在后续试验中,选择中间层负载量015g左右。

2.7 活性组分负载量对电极性能影响

实验条件同上。处理200ml的维尼纶废水,主要考察了不同活性组分负载量对维尼纶处理效果的影响。从图8中可以看出,不同负载量电极COD去除率都随着处理时间的增加逐渐增大。在相同的处理时间条件下,去除率首先随着负载量的增加而增大,当负载量为01481g时去除率达到最大,其最大去除率可达75168%,继续增大负载量,去除率反而减小。说明01481g负载量为最佳负载量,当负载量较少时,由于活性组分少,会大大降低反应物与活性组分接触反应几率,从而去除率较低;当负载量过大时,电极表面负载层过厚使得电极比表面积有所降低,从而使电极活性有所降低。在后续试验中,选择活性组分负载量为0148g左右。

3 结论

实验条件为COD=1520mg/L,pH=710,电流密度为50mA/cm2,两极板间距3cm,电解质NaCl浓度300mg/L,以一定的速度搅拌,处理200ml的维尼纶废水,研究了电极中各元素的负载成分、负载比例、负载量对电极电催化氧化性能的影响。实验结果表明,负载中间层+活性层的电极处理效果最好,单独负载中间层的电极处理效果最小。电极最佳中间层热处理温度为500℃,最佳表面层热处理温度为550℃,电极最佳负载成分为:Sn、Sb摩尔比为1∶1;活性层中钌摩尔百分比为35%;中间层负载量为015g左右,即负载12次;活性层负载量为0148g左右,即负载15次。

[1]A.Viggiani,G.Olivieri,L.Siani.An Airlift Aio-film Reactor for The Biodegradation of Phenol by Pesudomonas Stutzeri OXI[J].Journal ofBiotechnology,2006.

[2]王静荣,李书申,张东华,等.超滤法回收PVA并回用于生产的扩大试验[J].环境化学,1993,12(6).

[3]Guohua Chen.Electrochemical Technologies in Wastewater Treat2 ment[J].Separation and Purification Technology,2004,38(15).

[4]王晓华,钱望新,解清杰.氧化沟工艺处理化纤废水的研究[J].环境工程,2002,20(l).

[5]汪凯民,靳志军.印染废水治理技术的进展[J].给水排水,1993,19(10).

[6]C.CarlesiJara,D.Fino,V.Specchia,et al.ElectrochemicalRe2 moval of Antibiotics from Wastewaters[J].Applied Catalysis B:Environmental,2007,70(4).

Study on Effect Analysis of Performances of Electrocatalysis Oxidation Electrode Treating Vinylon Wastewater

SUN Jian2fei1,YU Ming2rui2,CA I Yue2zhen3
(1.Zhejiang Fuchun Ziguang Environmental Protection Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 310012 China)

The wastewaterof vinylon can discharge with reaching the national standard by using electrocatalysisoxi2 dation electrode method.The research on perfor mances of electrocatalysis oxidation electrode is conducted.The re2 sults revealed that the effect of combining both loading interlayer and active layer is better than the effect of loading interlayer and active layer merely under the same treatment condition.The molar rate of the best loading compo2 nentswith Sn/Sb is 1,and the molar percentage of Ru in the active layer is 35%,the loading amount of the inter2 layer is 0.5g,which is 12 times,and the loading amount of the active layer is 0.48g,which is 15 ti mes.

vinylon wastewater;electrocatalysis oxidation;oxidation

X703

A

1673-9655(2010)05-0056-04

2010-05-17

孙剑飞(1980-),男,汉族,本科,工程师,主要从事污水处理技术与管理工作。