复极填充床电解槽用于偶氮染料废水脱色

范丽，杨卫身，杨凤林，张兴文?
(大连理工大学环境科学与工程学院，辽宁大连沟通116012)

　　摘　要： 采用复极填充床电解槽处理模拟偶氮染料废水，考察了填料层数、槽电压、流量、染料浓度、无机盐种类与浓度及溶液pH值等因素对脱色负荷与电耗的影响，并通过分析原水和出水的紫外—可见吸收谱图监测电解反应对染料发色共轭体系的破坏情况。
　　关键词：复极填充床电解槽;偶氮染料;电解;脱色
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2002)04-0034-03

　　复极填充床电解槽(bipolar packed bed cell,简称BPBC)是Fleischmann M等于1973年开发的。BPBC具有很大的比电极面积(比电极表面积是传统二维电解槽的几十倍甚至上百倍),使电解效率大大提高。周定等在国内首次把BPBC应用于染料溶液的脱色研究，将活性炭和其他物料按一定比例混合组成填料。杨卫身等采用颗粒活性炭(GAC)和砂粒组成混合填料，由于砂粒(或其他物料)占据了反应器的大部分体积，使有效体积减小、电解效率降低。本研究采用夹心饼式(Sandwich)BPBC，以石墨颗粒作填料并用绝缘网隔开，使导电颗粒占据反应器的大部分体积，扩大了电极的表面积。试验以偶氮染料活性艳红X-3B为研究对象，以脱色负荷和电耗为主要指标来评价该反应器的工作性能。

1　试验部分

1.1　装置
　　试验装置流程如图1所示。

　　反应器上下两端各装一块开孔石墨板，用作馈电电极，其表面积约为1.0dm²。馈电电极之间逐层填充石墨颗粒，各填料层之间用尼龙网隔开。当反应器中填料层数为30时，填料高度为21cm，体积为2.1L。

1.2　废水的配制
　　称取一定量的偶氮染料活性艳红X-3B，用自来水配成质量浓度为200mg/L的溶液。
1.3　试验方法
　　通过6组单因素试验，即逐一改变填料层数、槽电压、流量、染料浓度、无机盐种类及浓度和溶液pH值，考察多种电解条件和水力条件对运行性能的影响。试验以脱色负荷和电耗为主要评价指标。运行方式为一次通过式，运行时间为3h。?
1.4　测试方法
　　用岛津UV-3100紫外—可见—近红外分光光度计测定染料溶液电解前后水样的紫外—可见吸收光谱。用721型分光光度计测定染料溶液电解前后的吸光度。

2　结果与讨论

2.1　填料层数
　　保持电压梯度为5V/cm，考察填料层数分别为6、12、18、24、30时电解槽的运行情况，试验结果如图2所示。
　　由图2可见，随填料层数增加脱色负荷降低、电耗增大，不过随着填料层数的增加出水颜色更浅、脱色效果提高，这是因为染料溶液经过了更多级的电解处理而使出水色度减小。故在一定范围内增加填料层数对脱色是有利的，但考虑到电耗情况，填料层数确定为30层。

2.2　槽电压
　　分别在25、50、75、100、125、150 V的槽电压下进行电解试验，试验结果如图3所示。

　　由图3可见，脱色负荷随槽电压的增大而增加，这是由于槽电压增大使被复极化的石墨颗粒增多，有效电极面积增大则使脱色负荷变大；但电压过高会促进副反应发生使电耗增加，且槽电压达到100V以后脱色负荷基本不变而电耗显著增大，因此槽电压宜控制在100V。
2.3 进水流量
　　分别在1.1、1.4、2.2、3.0、4.0、5.0 L/h进水流量下进行试验以考察流量对脱色负荷和电耗的影响，试验结果如图4所示。

　　由图4可见，随进水流量提高而脱色负荷增大、电耗降低。不过，当流量提高时因溶液在反应器中的停留时间变短会导致脱色效果降低；同时低流量时的电耗较高，故试验流量宜控制在2. 2L/h。
2.4　进水浓度
　　设定槽电压为100V、流量为2.2L/h、填料为30层，改变染料浓度时的运行结果见图5。

　　由图5可知，随进水染料溶液浓度的提高脱色负荷及电耗均增大，这是由于流量一定时提高染料浓度使传质速度加快，促进了电解反应的进行。
2.5　加入无机盐
　　染料溶液中加入一定量的Na₂SO₄或NaCl，分别考察不同无机盐种类及浓度对脱色负荷和电耗的影响，试验结果见图6。可以看出加入Na₂SO₄或NaCl时，电耗显著增大 而脱色负荷变化不大。加入Na₂SO₄时出水中因夹杂有悬浮颗粒而显出黑色调，而且Na₂SO₄浓度越高颜色越深，这可能是由 于Na₂SO₄本身是惰性电解质，加入后仅使电导率增加，促进水放电而使电极上的碳粉脱落。

　　加入NaCl时出水有刺激性气味且稍带绿色，脱色负荷有所提高，这可能是因为Cl^-在阳极放电生成Cl₂，参与了脱色反应，促进了电解反应的进行。
　　从总体上说加入无机盐对电解反应不利。
2.6 pH值
　　用H₂SO₄或NaOH调节溶液的pH值，在不同酸碱条件下进行电解试验的运行结果见图7。可以看出，进水pH值对脱色负荷基本没有影响，然而加酸或碱调节溶液pH值也同时改变了电导率。电导率增大，水放电反应加剧，导致电耗增大。

2.7　紫外—可见吸收光谱分析
　　为进一步研究电解反应对染料发色共轭体系的破坏情况，对原水和不同条件下出水进行紫外—可见吸收光谱测定。分析表明染料分子中的发色共轭体系被破坏，而且随着填料层数的增加、槽电压的增大其破坏程度增大，当进水染料浓度较低时，染料发色共轭体系的破坏程度较为彻底。

3　结语

　　①水样的紫外—可见吸收图谱表明电解脱色的实质是染料分子中的发色基团被破坏而使出水染料溶液在可见光区的吸收值降低。
?　②在一定范围内增大槽电压、提高进水流量及染料浓度时，反应器的脱色负荷均增大，考虑到电耗的实际情况，应将槽电压、流量及浓度等参数控制在一定值。
　　③不同种类、不同浓度的无机盐对脱色负荷的影响不同，从总体上说，无机盐的加入对电解反应不利。改变pH值时脱色负荷基本不变，而电耗变化明显。

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　　收稿日期：2001-09-15