亚甲基蓝模拟废水的电化学处理

李丽荣，王营茹，明银安，杨慧枫，马文梅

(武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

纺织印染废水是主要工业废水来源之一.染料种类多，有向着抗光解、抗生化和抗氧化等方向发展的趋势，其废水成分复杂、有机物含量高、可生化性差，所以纺织印染废水的处理成为当今工业废水处理的难点之一[1].色度的去除是印染废水处理的关键所在，传统水处理工艺有吸附、絮凝、气浮、生物氧化、药剂氧化及光催化氧化等，有的处理成本较高，有的不能达到较好的去除效果[2-4].近年来，电化学法引起人们的重视，其具有副产物少、单位体积负荷大、操作简单、易控制等优点，是一种绿色废水处理技术[5-8].随着电化学科学和电力工业的发展，使处理成本大大降低，电化学技术已成为一类颇具竞争力的废水处理方法.本试验以钛钌电极为阳极、不锈钢钢板为阴极，处理亚甲基蓝模拟染料废水，探究影响亚甲基蓝处理效果的因素，并确定电解法处理亚甲基蓝的最佳试验条件.

1 试验仪器及方法

1.1 试验药品

亚甲基蓝(DP，中国医药集团上海化学试剂公司)，Na2SO4(AR，国药集团化学试剂有限公司)，NaCl(AR，上海展云化工有限公司)，蒸馏水.

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)，WJ-88型加热搅拌器，722型可见分光光度计(天津市普瑞斯仪器有限公司)等.

1.3 模拟废水的配制

用分析天平称取2.000 g的亚甲基蓝固体定容于1 L容量瓶中，配制成2 g/L的母液避光存放以备用.其他不同浓度的亚甲基蓝染料废水根据需要用母液稀释配制.

1.4 试验装置和方法

用量筒量取200 mL亚甲基蓝模拟废水倒入250 mL烧杯中，钛钌电极做阳极、不锈钢钢板做阴极，两极板间距可调，加入一定量的电解质，于室温下进行相关试验，试验装置见图1.间隔30 min取样，稀释适当倍数，静置3～5 min后用可见分光光度计测定水样中亚甲基蓝的浓度(以去离子水为参比，测定其吸光度).

图1 电化学试验装置图Fig.1 Figure of electrochemical experiment device注：1.直流电源；2.加热搅拌器；3.转子；4.阴极；5.阳极；6.亚甲基蓝模拟废水

2 试验结果与讨论

2.1 外加电压对亚甲基蓝脱色率的影响

亚甲基蓝初始质量浓度100 mg/L，电解质(NaCl)浓度为0.02 mol/L，钛钌电极做阳极、钢板做阴极，极板间距2 cm，电解时间2 h，在室温、pH值不变的情况下，考察不同外加电压对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图2所示.

图2 外加电压对亚甲基蓝脱色率的影响Fig.2 Effect of applied voltage on the removal rate of methylene blue

由图2可知：电压从4 V上升到8 V，电解2 h，亚甲基蓝的脱色率从31.8%上升到99.9%；同时，随电压增大，电极表面粉红色气泡增多.郑辉等对电氧化法处理难生化化工有机废水进行了试验研究，结果表明随电压升高，阳极析出的氧虽然增多，但电化学氧化指数却在降低，电流效率在降低[9].所以，考虑到电解过程的安全和经济问题，在保证有机物能被充分降解的前提下，选择7 V为适宜的电压.

2.2 添加不同电解质对亚甲基蓝脱色率的影响

亚甲基蓝初始质量浓度100 mg/L，钛钌电极做阳极，钢板做阴极，外加电压为7 V，极板间距2 cm，电解时间2 h，在室温、pH值不变的情况下，考察浓度为0.02 mol/L不同电解质(NaCl和Na2SO4)对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图3所示.

图3 不同电解质对亚甲基蓝脱色率的影响Fig.3 Effect of different electrolyte on the removal rate of methylene blue

图3分别为添加0.02mol/L Na2SO4和添加0.02 mol/L NaCl的亚甲基蓝模拟废水的脱色率随时间变化的曲线.电解2 h，添加NaCl体系的脱色率为99.2%，添加Na2SO4体系的脱色率为28.9%.边朝政等[10]添加NaCl对亚甲基蓝电化学脱色过程的影响研究结果表明，添加Na2SO4和NaCl的电解过程和机理不同，添加Na2SO4主要起到提高溶液的导电性，减小溶液电阻损耗，抑制电迁移带来的影响，而添加NaCl，脱色效果好，主要是Cl-在电解过程中发生了以下电化学过程：

Cl-→Clads+e-

Clads+Cl-→Cl2+e-

Cl2+H2O→HOCL+H++Cl-

HOCl→H++OCl-

OCl-有很强的氧化作用，能够氧化染料分子，取得较好的脱色效果，以NaCl作为外加电解质对亚甲基蓝的脱色率比Na2SO4大得多就是原因所在.由图3可知，采用电解处理亚甲基蓝废水，分别以NaCl和Na2SO4为电解质，电解1 h添加NaCl的脱色率比添加Na2SO4的高出56.5%，电解2 h高出70.3%.

因此，选择NaCl为适宜的外加电解质.

2.3 氯化钠浓度对亚甲基蓝脱色率的影响

亚甲基蓝初始质量浓度100 mg/L，钛钌电极做阳极，钢板做阴极，外加电压为7 V，极板间距2 cm，电解时间2 h， 在室温、pH值不变的情况下，考察不同氯化钠浓度对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图4所示.

图4 氯化钠浓度对亚甲基蓝脱色率的影响Fig.4 Effect of concentration of NaCl on the removal rate of methylene blue

由图4可以看出，随着NaCl浓度升高，亚甲基蓝的脱色率上升.NaCl浓度从0.01 mol/L增加到0.02 mol/L，2 h脱色率由67.7%达到了99.2%，增加了31.5%.NaCl浓度为0.025 mol/L时，1 h脱色率就达到99.6%；NaCl浓度为0.03 mol/L时，0.5 h脱色率就达到96%.这表明，随NaCl浓度增加，溶液中的Cl-浓度增加，活性氯的量也增多，间接氧化能力增强；同时Cl-浓度增加，它在阳极上的吸附竞争加强，副反应减弱，使脱色率升高[9].电解质浓度亦不宜偏高，因为电解质浓度较高，产生的活性氯足够多，Cl-在阳极上的吸附也基本达到饱和，电流效率下降，电耗增加，将使电解过程不稳定.因此，选择NaCl浓度为0.02 mol/L.

2.4 极板间距对亚甲基蓝脱色率的影响

亚甲基蓝初始质量浓度100 mg/L，钛钌电极做阳极，钢板做阴极，外加电压为7 V，NaCl浓度为0.02 mol/L，电解时间2 h， 在室温、pH值不变的情况下，考察不同极板间距对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图5所示.

图5 极板间距对亚甲基蓝去除率的影响Fig.5 Effect of space between electrodes on the removal rate of methylene blue

由图5可以看出，随极板间距的增大，亚甲基蓝的脱色率逐渐下降，这是因为极板间距较小时，浓度差极化的影响较小，超电势随之降低，处理效果较好.虽然极板间距越小脱色率越高，但是过小的极板间距会使极板间溶液的流量减小、模拟废水温度升高，还会使极板间电场过强，有引起通电瞬间极板间放电的危险，降低电极的使用寿命；极板间距过小也会提高电解装置的设计要求.综合考虑安全和经济因素，选择中间值2 cm作为适宜极板间距.

2.5 原水浓度对亚甲基蓝脱色率的影响

以钛钌电极做阳极，钢板做阴极，外加电压为7 V，极板间距2 cm，NaCl浓度为0.02 mol/L，电解时间2 h，在室温、pH值不变的情况下，考察原水浓度对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图6所示.

图6 原水浓度对亚甲基蓝去除率的影响Fig.6 Effect of initial concentrations of dye on the removal rate of methylene blue

由图6可以看出，随着模拟废水初始浓度升高，脱色率降低.电解2 h，亚甲基蓝模拟废水质量浓度分别为100、200、300、400、500 mg/L的脱色率分别为99.2%、98.4%、77.8%、66.2%、43.6%.同样电解2 h，100 mg/L、200 mg/L的脱色率仅相差0.8%， 且去除率均大于98%，因此处理初始质量浓度为200 mg/L废水肯定更经济.

2.6 电解时间对亚甲基蓝脱色率的影响

模拟废水初始质量浓度为200 mg/L，钛钌电极做阳极，钢板做阴极，外加电压为7 V，极板间距2 cm，NaCl浓度为0.02 mol/L ，在室温、pH值不变的情况下，考察不同电解时间对亚甲基蓝脱色率的影响，结果如图7所示.

图7 不同电解时间对亚甲基蓝脱色率的影响Fig.7 Effect of electrolysis time on the removal rate of methylene blue

由图7可知，亚甲基蓝的脱色率随电解时间的延长而增加，电解2 h亚甲基蓝的脱色率达到98.4%，电解3 h亚甲基蓝的脱色率达到99.1%，相比2 h只增加0.7%.亚甲基蓝的降解速率随电解时间的延长而降低，这是因为反应起始阶段，高浓度的亚甲基蓝能较快地扩散到电极表面并发生反应；但是随电解时间的延长，反应物和中间体在电极表面的吸附使电流效率降低，并且大部分亚甲基蓝结构已被破坏，单位时间内扩散到电极表面的亚甲基蓝减少，使亚甲基蓝浓度变化趋于平缓.因此从反应时间对脱色率的影响和试验的经济性考虑，选择2h是最适宜的电解时间.

3 结 语

通过以钛钌电极为阳极、钢板为阴极，对亚甲基蓝模拟废水进行电化学处理，试验结果表明，外加电压、电解质种类及浓度、极板间距、电解时间都是影响亚甲基蓝脱色的主要因素，原水浓度对脱色率有一定的影响；试验确定了电化学处理亚甲基蓝的最适宜条件，外加电压7 V， 氯化钠浓度0.02 mol/L，极板间距2 cm，原水质量浓度200 mg/L，电解时间2 h，在不改变室温及原水pH值的条件下，电化学处理亚甲基蓝的脱色率可达98.4%.

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