活性炭三维电极法处理低浓度苯乙烯废气

陈 江 汤宗礼章亚芬

（1浙江建设职业技术学院 浙江杭州 311231 2浙江工商大学环境学院 浙江杭州 310018）

引言

苯乙烯是工业上用于生产聚合物、共聚物和增强塑料的重要有机溶剂，对生态环境、人体健康等都存在着巨大的安全隐患[1]。目前主要有催化燃烧法、吸附法、喷淋吸收法等处理方法[2]，但是往往存在降解效率低、能耗高、二次污染等缺点。

三维电极电化学反应器具有很大的比表面积，反应速度快[3]，时空转换效率高，容易控制[4]。本实验提出通过反应器处理苯乙烯废气，将有机气态污染物的溶解和去除进行统一处理，研究电化学反应器处理有机废气的效果。

1 实验流程

实验装置见下图，苯乙烯废气采用纯化学试剂和氮气混合进行模拟。钢瓶2中的氮气以一定流量进入苯乙烯原料槽，将蒸气带出，使用蠕动泵5控制气体流量，传递量为0.05ml/min；钢瓶1中的氧气由流量计3控制。废气从反应器底部导入，经过反应器排出，实验使用FTIR红外光谱仪在线检测。

图1 实验装置及流程

反应器为玻璃柱状结构，尺寸为80mm×80mm×600mm，主要有电解槽、布气器、流化床、电极板等。流化床中使用多块网格状电极，不锈钢网是阴极，阳极是钛基氧化钌涂层[5]，板间距70mm，电解质为氯化钠，内部填充直径5mm[6]的活性炭颗粒作为粒子电极。实验分析仪器是370DTGS红外气相色谱仪、GC-2014气相色谱。

2 实验结果与讨论

2.1 活性炭吸附效果与运行时间关系

调节氮气流量为2000ml/min，进气浓度约为100ppm，在通电与不通电情况下取样，分别考察2组活性炭吸附效果与运行时间的关系。

图2 活性炭吸附时间变化曲线图

由图中可见，溶液中的活性炭在流化状态下会吸附混合废气中的部分苯乙烯，但饱和时间约需3小时。反应器内有活性炭参与，活性炭在电解池中感应成为复极性微电极，相邻的复极性单元之间的阳极与阴极间距很小，反应物需要迁移的距离明显降低，即反应物迁移到电极表面的速率加强，且带电荷的活性炭可以更好的使有机物吸附在颗粒表面并聚集在一块，电解池中，外界提供的O2和电极电解产生的O2在阴极上还原成H2O2，H2O2部分转化为·OH，同时电解质中的氯形成ClO-，H2O2和ClO-具有强氧化性，·OH则是仅次于氟的氧化剂，可快速进攻苯乙烯分子电子云密度高的的部位，氧化苯乙烯，同时，苯乙烯在电极上发生直接氧化作用，相比于传统活性炭吸附，三维电级反应器可以很快地氧化降解苯乙烯[7]。

2.2 反应电压对苯乙烯废气去除率的影响

调节氮气流量为2000ml/min，调节蠕动泵的转速为4rap/min。直流电源设置为2A，调整电压为2V-18V，电解反应时间在30min后，检测进出口气体苯乙烯浓度。

图3 反应电压对废气去除率的影响

由图3可知，在电压小于6V时，苯乙烯的去除率随电压的增大没有明显提升，去除率相对较低。因为复极性三维电极中，粒子电极的反应驱动力是床内各点导电颗粒的电位与电解液电位的差值，当差值很小时，体系内只有离子的迁移，没有电极反应的发生，此时电流为无效电流。作用在粒子电极的电压小于苯乙烯的反应电压时，仅有短路电流与旁路；当电压强度大于6V时，苯乙烯去除率有较显著提升，电压增加至18V时去除率达到了60.2%，但在电压为20V时又趋于平稳，降解率为61.4%。考虑电解槽的电流强度随着电压增大而增加，使反应器中填充粒子复极化程度加大，苯乙烯发生电化学反应的动力增加，同时，电化学反应中催化生成·OH自由基；并且Ti/RuO2是DSA类阳极，具有较好的亲水性，能通过电解产生以及外界提供的O2在电极上还原产生H2O2，加强电解作用和电化学氧化还原作用[8]；但是电解反应是放热反应，电流过大时，反应释放出热量使得溶液温度迅速上升，析氢析氯等副反应明显增强[9]。

2.3 载气流量对苯乙烯废气去除率的影响

保持电压为10V左右，调节蠕动泵的转速和载气的流量，研究气体流量的影响。调节氮气流量，相应改变蠕动泵转速。保持进口废气浓度为50ppm左右，运行30min后取样检测。

图4 载气流量对废气去除率的影响

从图中所示，载气流量从1000 ml/min增加到3000ml/min，苯乙烯降解效果一直在下降。特别是在进气时间30min时，废气去除率从48.6%下降到22.5%，下降幅度超过了53%。考虑反应电流是有效电流，而电解液内直接流过的旁路电流和活性炭粒子之间直接接触成链形成的粒子内部短路电流都是无效电流，适当增大载气流量可以减小电解池中的无效电流，可以增强体系的传质效果与电解效率，但是载气流速过大时，活性炭对苯乙烯的吸附作用下降，且苯乙烯分子与复极性活性炭粒子的碰撞概率减小，与电极的接触时间也减小，最终苯乙烯的氧化降解效果大幅下降。

结语

（1）三维电极反应器内有活性炭参与，活性炭作为离子群电极，可以使有机物吸附在颗粒表面并聚集在一块，通过电场作用，可以很快地氧化降解。

（2）当电压强度大于6V时，苯乙烯去除率有显著提升，电压增加至18v时去除率达到了60.2%，但在电压为20V时又趋于平稳，降解率为61.4%；随着载气流量的增加，苯乙烯去除率显著降低，特别是在进气时间30min时，废气去除率下降幅度超过了53%。

（3）三维电极反应器中·OH自由基、H2O2等强氧化性物质的产生量和系统中的PH值呈正相关，同时电导率增大有利于提高单位体积电解池处理能力。