掺杂La－Nd混合元素的电极制备及其在酱油废水处理中的应用

杨雅雯，张红燕

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京100054；2.晋城市绿和环保技术咨询有限公司，山西 晋城048000）

酱油作为人们日常生活的调味品，在满足人们饮食需求的同时，其生产过程也带来了严重的环境污染问题。有资料表明［1－2］，生产1t酱油会产生大约6～9t的废水，废水产生量大，且成分复杂，呈现较高的BOD5，COD，盐度和色度，是一种较难处理的废水，国内一般采用厌氧与好氧结合方法进行处理，但存在好氧阶段返色、色度与COD不能同步降解等难题［3－7］。

电化学水处理技术具有多功能性、高度的灵活性、易于自动化等其他水处理技术所无法比拟的优点，国内将其应用于含油废水、含酚废水等处理中，尤其是对那些难生物降解、对人类健康危害很大的“三致”有机污染物的去除有很高的效率［8－11］。目前将电化学水处理技术应用于酱油废水处理的报道很少，针对酱油废水处理难点，本文拟将电化学处理技术应用到酱油废水的预处理环节。采用溶胶凝胶法制备掺杂La－Nd混合元素的Ti／Sb－SnO2电极，考察不同掺杂量下制备的电极对酱油废水COD和色度的去除效果，进而确定电极处理酱油废水的最佳工艺条件。

1 电极材料与实验方法

1.1 实验用水

实验用水取自唐山某酿造厂废水处理站的调节池，水质见表1。

1.2 钛基氧化物涂层电极的制备

（1）基体的处理。将规格尺寸为100mm×40mm×2 mm的钛板用细砂纸、粗砂布依次打磨，用40%NaOH溶液恒温加热2h后，用热水冲洗，在15%草酸溶液中煮沸2h，冲洗后放入1%草酸溶液中待用。

（2）中间层的制备。为提高电极的寿命及稳定性，制备掺杂Sb为主的SnO2涂层的钛基体涂层电极。称取32g SbCl3，150g SnCl4·5H2O 溶解于50mL浓盐酸、300mL正丁醇以及适量无水乙醇中，将经预处理好的钛板洗净晾干，将上述的中间层涂层液涂在钛板上，于烘箱中烘干，反复5次涂刷，于500℃马弗炉中焙烧20min，反复20次，延长最后一次马弗炉焙烧时间至3h，冷却备用。

（3）活性层的制备。电极中主要起催化活性作用的是活性层，掺杂金属La－Nd的活性层对电极的电催化性能有很大的提高。实验中制备了Sn∶Sb∶La∶Nd为100∶10∶5∶4（原子质量比）的掺杂金属 La－Nd混合元素的 Ti／Sb－SnO2电极［12］。

1.3 实验装置

采用500mL烧杯作为反应电解池，阳极为掺杂金属La－Nd混合元素的Ti／Sb－SnO2电极，阴极为经预处理后的纯钛板。实验装置见图1。

图1 实验装置图

1.4 指标的检测分析方法

实验中的检测指标包括COD和色度，COD的测定采用重铬酸盐法，色度测定采用吸光度法，即将待测液在酱油废水的380mm特征波长处测量废水处理前后的吸光度值，经计算可得到脱色率，其计算公式如下：△A＝（A0－A）／A0×100%。其中：A0为处理前废水吸光度值；A为处理后废水吸光度值；△A为脱色率。

2 结果与讨论

电化学方法处理酱油废水的影响因素主要包括电流密度、电解时间、极板间距和pH值等，实验采用正交实验法，设计了四因素四水平L16（44）正交实验表，以酱油废水处理出水COD浓度和色度去除率作为评价指标，确定电极处理酱油废水的最佳工艺条件。表2为电极制备正交实验因素水平表，表3为正交实验方法及实验分析结果。

表2 正交实验因素水平表

表3 处理酱油废水影响因素正交实验表

比较每个因素的极差Rm，该值越大其所对应的因素影响越大，即为主要因素。影响COD去除率的因素从主至次依次为：电解时间＞pH值＞电流密度＞极板间距；而影响影响色度去除率的因素从主至次依次为：电流密度＞电解时间＞极板间距＞pH值。因此影响酱油废水COD和色度去除率的因素顺序不一致。

比较每个因素水平对应的指标k值，数值越小，表明出水COD浓度越低。因此，选取指标所对应的水平为A3B3C1D4，即电流密度40mA／cm2，电解时间90min，极板间距2.0cm，pH值为9时COD去除效果较好；而对于色度去除率来讲，k值越大色度去除率越高，因此去除色度的最佳组合为A4B3C3D2，即电流密度40mA／cm2，电解时间90 min，极板间距4.0cm，pH 值为5。

酱油废水呈弱酸性，pH值为5.5～7.5，如果实验中将废水COD的降解作为优先考虑因素，则选择A3B3C1D4组合，但需将废水的pH值调至9左右，强碱性环境不仅会造成药剂费高，也不符合实际工程需要。酱油废水的色度构成物质为有机物，色度的大小与COD呈正相关，因此，实验中将优先考虑色度去除率，确定的电极处理酱油废水的最佳工艺条件为电流密度40mA／cm2，电解时间90min，极板间距4.0cm，pH值为5，在此条件下电极对废水COD和色度的去除率分别达到34.3%和90.11%。

采用电化学方法处理酱油废水是通过电凝聚气浮、电催化氧化和活性氯的间接氧化等综合作用实现的。酱油废水中含有的Cl－通过阳极电解来产生各种含氯的氧化剂，进而增加了对有机物的氧化降解能力。但也正是由于废水中的Cl－导致处理过程中出现金属阳极有腐蚀现象，因此，实验过程中需使用磁力搅拌器充分搅拌，以减少电解过程中产生的大量微小气泡附着在电极表面而腐蚀电极。

3 结论

（1）制备了Sn∶Sb∶La∶Nd为100∶10∶5∶4（原子质量比）的掺杂金属La－Nd混合元素的Ti／Sb－SnO2电极。采用正交实验确定了电极处理酱油废水的最佳工艺条件：电流密度40mA／cm2，电解时间90min，极板间距4.0cm，pH 值为5，在此条件下进行验证实验，电极对酱油废水COD和色度的去除率分别达到34.3%和90.11%。

（2）在处理过程中酱油废水中的Cl－会造成金属阳极腐蚀，使用磁力搅拌器充分搅拌可有效减缓电极腐蚀。

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