凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极在苯酚废水处理中的性质研究

王元有，黄星雨，刘天晴

（1.扬州大学化学化工学院，江苏扬州 225002；2.扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127）

凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极在苯酚废水处理中的性质研究

王元有1，2，黄星雨1，刘天晴1

（1.扬州大学化学化工学院，江苏扬州 225002；2.扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127）

研究一种对酚类废水处理效果好、价格低廉、无二次污染且稳定性高的电极。采用膨胀石墨粉和凹凸棒土粉为原料，制备复合材料电极。实验考察了电流密度、温度、pH值等影响因素。实验结果表明，在电流密度为10mA/cm2，温度为25℃，pH为7的条件下，对苯酚的降解率达到90%。该复合材料电极在连续进行半年以上电化学降解实验后，表面稍有腐蚀，表现出了良好的稳定性及耐腐蚀性，降低了废水处理的成本，有效提高了电极的利用率。

废水处理；电化学；电极；凹凸棒土；膨胀石墨

有机酚类废水在工业废水中广泛存在，如化工、印染、医药、炼油、煤气等行业［1］，大量的排放给环境带来了严重污染。其中苯酚废水的毒性非常大，它的排放抑制了水中微生物的生长，影响水的生态平衡［2－3］。况且苯酚是一种很难彻底清除的有机污染物，目前采用的生物法、吸附法、泡沫分离法、离子交换等方法，有的效果较差，有的存在二次污染［4－8］。

采用电化学方法处理有机废水，成为处理这类工业污染物的新方向。电化学方法处理这类污染，决定性因素是电极。优质的阳极材料是电化学处理有机废水的关键因素［9－10］。近期主要研究了钛基系列电极，有Ti/SnO2，Ti/RuO2和掺杂金刚石电极（BDD）等。这些材料都表现出高的析氧电位和良好的稳定性，但这些电极使用大多会引起二次污染并且价格昂贵，应用受到限制［11－12］。因此电极的研究重点应是无二次污染、价格低廉、导电性能好的电极材料。

本研究一种价格低廉、无二次污染，又能降低废水处理成本的复合石墨材料电极。将膨胀后的石墨粉与酸化后的凹凸棒土粉混合制备复合材料电极，并利用环氧树脂做黏合剂，有效增强了电极的稳定性，避免了石墨电极易腐蚀的弊端，提高了石墨电极的使用率。通过电化学氧化和凹凸棒土的吸附作用对苯酚废水进行了双重的处理，提升了苯酚废水的降解率。

1 实验方法

电化学反应装置主要由自制电解槽（容积：5cm× 2.5cm×3cm）、双路稳压稳流电源、复合材料电极组成。

1.1 凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极的制备

取酸化后的凹凸棒土粉末和膨胀石墨粉，按前者与后者的质量比为1∶4混合，搅拌均匀；再将混合粉、环氧树脂、氯化铵按质量比为2∶0.4∶0.1的比例混合搅拌，加入10mL丙酮溶解、搅拌，直到混合均匀为止；然后装入内径为0.8cm的模具中，在140N/cm2的压力下压制成型，在室温下自然固化24h后，把马弗炉温度调节为150℃，将压制成的电极放入马弗炉中4h后拿出。

1.2 电解实验

将自制的复合材料电极作为阳极，铁片为阴极，Na2SO4作支持电解质，以不同浓度的苯酚模拟苯酚废水，磁力搅拌。在电流密度为10mA/cm2、温度为25℃、pH为7的条件下进行电解实验，反应一定时间后取样进行分析，测处理后的苯酚去除率。

1.3 电极腐蚀程度的SEM图

采用扫描电子显微镜（SEM，XL－30E，Philip公司）分别观察复合材料电极使用前后的表面形貌，及普通石墨电极使用后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极对苯酚的降解效果

电化学降解苯酚的实验中，以凹凸棒土/膨胀石墨复合材料电极为阳极，以铁片为阴极，在电流密度为10mA/cm2、温度为25℃、pH为7的条件下进行电化学降解实验，每电解30min取样进行紫外分析，计算得出苯酚降解率，结果见图1。由图1可知，在电解180min后苯酚的降解率达到90%。测得的凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极对不同质量浓度的苯酚的降解率见图2。由图2可知，随着苯酚质量浓度的增大，苯酚的降解率变小。当苯酚浓度为100mg/L时、反应180min后，苯酚和COD的降解率都为90%；当苯酚质量浓度为500mg/L时，苯酚的降解率仅为40%。这可能是由于在处理过程中有难以处理的中间产物生成，高浓度时生成的中间产物更多，所以导致高浓度苯酚的降解率很低。

图1 复合材料电极对苯酚降解率

图2 复合材料电极对不同浓度苯酚的降解率

2.2 电流密度的影响

电流密度对苯酚和COD降解率的影响如图3所示。由图3可见，苯酚和COD的降解率随电流密度的增加而增大。电流密度的提高，使电极与反应物之间的电子传递速度加快，也使电极与水或其他阴离子之间的电子转移速度加快，能够氧化废水中很多的有机物。本次实验研究中电流密度为10mA/cm2和20 mA/cm2对苯酚的降解率变化不大，本文选用电流密度为10mA/cm2进行研究。

2.3 温度的影响

测得的温度对苯酚和COD降解率的影响见图4。由图4可以看出，温度每升高10℃，不同电解时间下对苯酚和COD的降解率都提高了2%～4%。可见温度升高加速了苯酚的电氧化降解速率。由于实际废水处理中要考虑成本问题，所以本实验没有采用过高的反应温度，选择在35℃条件下进行反应。

2.4 pH的影响

在不同pH下，苯酚的氧化降解如图5所示，在pH为7的溶液中苯酚和COD的降解率最大。这是由于在凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极上，活性Si—OH的数目直接影响到对有机物的吸附和对COD的降解。当pH过高时Si—OH会降解，当pH过低 时Si—OH会发生反应变成Si—OH2。

图3 电流密度对苯酚和COD降解率的影响

图4 温度对苯酚和COD降解率的影响

图5 pH对苯酚和COD降解率的影响

2.5 凹凸棒土－膨胀石墨复合材料与普通石墨电极腐蚀程度的SEM图

采用扫描电子显微镜，观测了凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极降解前后的表面形貌。图6为凹凸棒土－膨胀石墨复合材料电极与普通石墨电极进行降解实验后的电极表面形貌的SEM图。（a）凹凸棒土－膨胀石墨为复合材料电极连续进行半年以上电解实验的电极表面形貌图，电极表面略有腐蚀；（b）为普通石墨电极进行1次电解实验后电极表面形貌图，电极表面严重腐蚀。因为凹凸棒土/膨胀石墨复合材料电极采用环氧树脂作为黏合剂，使得电极更加的稳定、耐腐蚀，更适用于有机废水的电化学处理工艺。

图6 进行电解实验后电极表面形貌的SEM图

3 结论

以膨胀石墨、酸化处理的凹凸棒土为原料，以环氧树脂、固化剂、丙酮为黏合剂制备的电极是一种比普通石墨电极更牢固，更耐腐蚀的电极。实验考察了电流密度、温度、pH值等影响因素，实验结果表明，在电流密度为10mA/cm2，温度为25℃，pH为7的条件下对苯酚的降解率达到90%。复合材料电极在连续进行半年以上电化学降解实验后，表面稍有腐蚀，表现出了良好的稳定性及耐腐蚀性，降低了废水处理的成本，有效提高了电极的利用率。

（References）

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［11］黄星发，郑正，王曦曦，等.一种新型石墨电极的制备及其对苯酚的去除［J］.环境科学，2009，30（5）：1408－1413.

［12］景长勇，霍保全，刘向宇，等.阳极材料对苯酚废水处理效果的影响研究［J］.工业安全与环保，2009，35（7）：4－6.

Research on properties of attapulgite－expansion graphite composite－material electrode in treatment of phenol wastewater

Wang Yuanyou1，2，Huang Xingyu1，Liu Tianqing1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225002，China；2.Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China）

This paper studied a cheap and environmental electrode with high stability and good treatment effect for phenol wastewater.It is a kind of composite－material electrode that is made of expansion graphite and attapulgite powder.The experiment investigates the stability of composite－material electrode and its ability to remove phenol.The result shows that removal rate of phenol reaches to 90%when the current density is 10mA/cm2；temperature is 25℃and pH is controlled at 7.After carrying on electrochemical degradation experiment for half a year，the surface of composite－material electrode is corroded slightly.It shows that this electrode has good stability and corrosion resistance.This method reduces the cost of wastewater treatment and improves utilization rate of the electrode.

wastewater treatment；electrochemistry；electrode；attapulgite；expansion graphite

X703.1

A

1002－4956（2014）1－0045－04

2013－06－13 修改日期：2013－09－06

江苏省高校优势学科建设工程资助项目；2011年江苏省研究生创新工程项目（CXLX11－0995）阶段成果

王元有（1977—），男，江苏扬州，博士研究生，主要研究方向为电化学方法处理废水.

E－mail：wangyy＠ypi.edu.cn