电化学处理对硝基苯酚模拟废水的研究

黄晶，王营茹

（武汉工程大学 环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074）

电化学处理对硝基苯酚模拟废水的研究

黄晶，王营茹

（武汉工程大学 环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074）

以钛钌电极为阳极、钢板为阴极，对含对硝基苯酚（PNP）的模拟废水进行了电化学处理. 试验研究了外加电压、极板间距、电解质质量分数、溶液pH值、电解时间等因素对PNP处理效果的影响，结果表明：外加电压7 V，pH=10～11，极板间距2 cm，支持电解质Na2SO4质量分数0.5%的条件下，电解5 h，PNP的去除率可达89.3%.

电化学处理；钛钌电极；PNP模拟废水

对硝基苯酚（PNP）及其钠盐既是染料、医药、农药等化工产品的重要中间体，也是各国重点监控的水体污染物. 目前，处理PNP废水的方法有溶液萃取法[1]、黏胶基活性碳纤维吸附法[2]、生物处理法[3]、电Fenton法[4]等，高级氧化技术也广泛应用于难生化降解废水的治理，但需要投加氧化剂，电化学氧化技术能在适当控制条件的情况下，通过电极催化产生氧化性很强的羟基自由基以有效降解有机物.[5-6]作为电化学处理中起关键作用的元件，钛钌电极彻底改变了传统的石墨与铅合金阳极在高电流电解时发生溶蚀、耐蚀性差及氧析出过电位大、电化学催化性能低、电力消耗大[7-8]等问题；且有稳定的形状及物化性质、较大的涂层比表面积，更适合电化学水处理. 本文以钛钌电极为阳极、不锈钢钢板为阴极处理PNP模拟废水，研究了影响PNP处理效果的因素.

1 试验仪器及方法

1.1 试验药品

PNP（CP，苏州市桃源试剂厂），Na2SO4（AR，国药集团化学试剂有限公司），NaOH（AR，国药集团化学试剂有限公司），浓硫酸，蒸馏水等.

1.2 试验仪器

GPS-4303C型多组输出直流电源（固纬电子有限公司），755B型紫外可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司），pHS-3C型数显酸度计.

1.3 模拟废水的配置

用分析天平称取0.300 g的PNP固体，定容于2 000 mL容量瓶中，PNP浓度为150 mg/L，调节pH=10～11.

1.4 试验装置和方法

用量筒量取400 mL模拟废水倒入500 mL烧杯中，钛钌电极做阳极、钢板做阴极，两极板间距可调，加入一定量的Na2SO4做电解质，于室温下进行相关试验，实验装置见图1. 间隔一定时间取样，每次取样5 mL定容于250 mL容量瓶，用10%的NaOH及10%H2SO4调节pH值，静置3～5 min后用紫外分光光度计测定水样中PNP的浓度（以去离子水为参比，测定其吸光度）.

图1 电化学试验装置

2 试验结果与讨论

2.1 外加电压对PNP去除率的影响

PNP初始浓度150 mg/L，支持电解质（Na2SO4）质量分数0.5%，钛钌电极做阳极、钢板为阴极，极板间距2 cm，电解时间2 h，pH=10～11，考察不同外加电压对PNP去除率的影响，结果如图2所示.

由图2可知：当外加电压从4 V上升到8 V时，同样电解2 h，PNP的去除率从12.82%上升到47.6%；但同时，随着电压增大，电极表面明显有气泡产生，试验过程产热明显. 有研究表明，随着电压升高，虽然阳极析出的氧增多，但其电化学氧化指数却降低了，即电流效率降低了；[9]因此，从电解过程的安全性和经济性考虑，在保证有机物能被充分氧化分解的前提下，选择7 V为适宜的外加电压.

2.2 极板间距对PNP去除率的影响

PNP进水浓度150 mg/L，支持电解质（Na2SO4）质量分数0.5%，钛钌电极做阳极、钢板为阴极，外加电压7 V，电解时间2 h，pH=10～11，考察不同极板间距对PNP去除率的影响，结果如图3所示.

由图3可以看出：随着极板间距的增大，PNP去除率逐渐下降. 这是因为极板间距较小时，浓差极化的影响减轻，超电势随之降低，电流效率提高，处理效果较好. 极板间距为1 cm时，PNP的去除率最高；电极间距≥2.5 cm时，PNP的去除率开始大幅下降. 虽然极板间距为1 cm时PNP的去除效果比1.5～2.5 cm时好，但是过小的极板间距会使电极间溶液的流量减少、对流效应减弱、模拟废水温度升高，还会使电场过强，并可能引起通电瞬间极间放电，降低电极的使用寿命；此外，间距过小对电极装置的设计要求也更高. 综合考虑以上因素，确定极间距为2 cm.

图2 外加电压对PNP去除率的影响

图3 极板间距对PNP去除率的影响

2.3 电解质质量分数对PNP去除率的影响

PNP进水浓度150 mg/L，钛钌电极为阳极、钢板为阴极，外加电压7 V，极板间距2 cm，电解时间2 h，pH=10～11，考察电解质Na2SO4质量分数对PNP去除率的影响，结果如图4所示.

由图4可知：开始时随着Na2SO4质量分数的增加，PNP去除率逐渐增大，当其质量分数为0.5%时，PNP的去除效果最好. 这是由于电场强度保持不变，增加电解质浓度，电流密度势必随之增加，用于PNP直接氧化的反应电流也增加，因此去除率增加；但电解质浓度也不宜过高，否则不仅增加能耗，而且会降低PNP的降解速率[10]，因此试验选择适宜Na2SO4质量分数为0.5%.

2.4 pH值对PNP去除率的影响

PNP进水浓度150 mg/L，支持电解质NaSO4质量分数0.5%，钛钌电极做阳极、钢板为阴极，外加电压7 V，极板间距2 cm，电解时间2 h，考察不同pH值对PNP去除率的影响，结果如图5所示.

由图5可知：PNP的去除率在中性条件下最差，在pH=3～4和pH=10～11时都比较好，且碱性条件下的去除率比酸性条件下的又略好一些. 这主要是因为PNP的离解（pka=7.15～7.16）与-OH存在有关，即随着pH值的升高，液相中更多的酚以离子形式存在，在离子状态下，酚的邻对位电子云密度增大，有利于臭氧和羟基自由基·OH的亲电进攻，从而加速了PNP的去除速率.[11-12]由于溶液配置时采用碱液定容，因此确定最佳pH=10～11.

图4 Na2SO4质量分数对PNP去除率的影响

图5 pH值对PNP去除率的影响

2.5 电解时间对PNP去除率的影响

PNP进水浓度150 mg/L，支持电解质NaSO4质量分数0.5%，用钛钌电极做阳极、钢板为阴极，外加电压7 V，极板间距2 cm，pH=10～11，考察不同电解时间对PNP去除率的影响，结果如图6所示.

由图6可知：1）PNP去除率随着电解时间的延长而增长（电解1 h，去除率33.39%，电解5 h，去除率89.34%）. 2）随电解时间的延长，PNP的降解速率降低，浓度变化趋于平缓. 这是由于反应初始阶段，较高浓度的PNP能快速扩散到电极表面发生反应；但随电解时间的延长，由于反应物和中间体在电极表面的吸附使电流效率降低，同时大部分PNP结构已被破坏，单位时间内扩散到电极表面的PNP减少，使PNP浓度变化趋于平缓.[13]

图6 电解时间对PNP去除率的影响

3 结论

本文以钛钌电极为阳极、钢板为阴极，对PNP模拟废水进行了电化学处理，结果表明：在外加电压为7 V，pH=10～11，极板间距为2 cm，支持电解质Na2SO4质量分数为0.5%的条件下，电解处理5 h，PNP的去除率可达89.3%. 用钛基镀层电极处理PNP模拟废水，虽不能使PNP完全分解，但可在较温和的电解条件下实现较高的去除率，且电极具有较好的耐腐蚀性和稳定性，这为阳极材料的选取和新的废水处理体系拓展了思路.

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Electrochemical Treatment of p-nitrophenol-simulated Wastewater

HUANG Jing, WANG Ying-ru
(Environmental and Civil Engineering School, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

The p-nitrophenol-simulated wastewater was treated by the electrochemical method, with Ti/RuO2as anode and steel electrode as cathode. The effect factors of applied voltage, space between electrodes, concentration of electrolyte, initial pH and electrolysis time were investigated. The results showed that the removal rate of p-nitrophenol reached 89.3% after 5 h with voltage at 7 V, concentration of electrolyte at 0.5%, pH=10～11, and space between electrodes at 2 cm.

electrochemical treatment; Ti/RuO2electrodes; p-nitrophenol-simulated wastewater

O625.31；X131.2

A

1006-7302（2011）01-0029-04

2010-07-09

黄晶（1989—），女，湖北武汉人，本科生，研究方向为有机污染物的电化学处理；王营茹，副教授，硕士，硕士生导师，通信作者，研究方向为水污染控制技术与资源综合利用等.