黃禮麗,何 平
(1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 瀘州 646005;2.西南科技大學(xué),四川 綿陽(yáng) 621010)
隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各種印染廢水的排放給人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。苯酚紅(Phenol Red,PR) 作為一種應(yīng)用廣泛的深紅色粉末狀染料,含有PR的廢水毒性較大,降解困難,且隨意排放,將嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡,并導(dǎo)致生物基因突變[1],因而需要采取適當(dāng)方法處理。
傳統(tǒng)的染料廢水處理方法:物理法[2]、生物法[3]、物理化學(xué)法[4]、氧化法[5]等已不能滿(mǎn)足排放要求。具有生物毒性的有機(jī)污染物可以采用電化學(xué)法處理[6],新型電極材料,具有能耗小,電極穩(wěn)定性良好,處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前,未見(jiàn)Ti/IrO2-RuO2電極電催化氧化降解PR廢水的相關(guān)研究報(bào)道。
本文采用熱分解法制備了Ti/IrO2摻雜RuO2電極,將此自制電極電催化降解苯酚紅廢水,并優(yōu)化其降解條件。
儀器:UV-2102 PCS型紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì),PHS-3C型pH計(jì),DF1731SLL3A型DC電源,HJ-3型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器。試劑:鈦片,鹽酸,草酸,乙醇,異丙醇,氯化銥,氯化釕,氯鉑酸,苯酚紅,硫酸鈉,氫氧化鈉,自制蒸餾水。
預(yù)處理Ti基底:用砂紙將3.0cm×2.0cm鈦基底片打磨,至呈現(xiàn)金屬光澤。將打磨后的Ti片放入15%HCl溶液中煮沸30min,用蒸餾水洗凈。除油后的Ti片在20%的草酸溶液中煮沸刻蝕2h,此時(shí)其表面為凹凸不平的麻面狀。預(yù)處理Ti片放入乙醇中保存?zhèn)溆谩?/p>
制備電極:稱(chēng)取物質(zhì)的量比為1∶1的IrCl3·3H2O和RuCl3·3H2O混合后,溶于異丙醇配制成涂刷液[7],均勻涂刷在備用的Ti片上,置于95℃的干燥箱中干燥10min,立即轉(zhuǎn)入450℃馬弗爐中高溫?zé)岱纸?5min,冷卻。上述涂刷操作重復(fù)10次后,Ti片置于550℃馬弗爐中煅燒1h,自然冷卻后即制得Ti/IrO2-RuO2電極。
采用自制Ti/IrO2-RuO2電極對(duì)10mg·L-1的苯酚紅模擬廢水進(jìn)行電催化氧化降解實(shí)驗(yàn)。
利用紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試并計(jì)算苯系染料廢水中有機(jī)物濃度。
在恒定電流密度為15mA·cm-2,電解質(zhì)質(zhì)量濃度為4.0g·L-1,PR廢水溶液起始pH=3,溫度為20℃的條件下,檢測(cè)PR濃度的變化,結(jié)果如圖1所示。從圖1中看出,隨著電解時(shí)間的增加,PR的最大吸收峰(λ=434 nm) 逐漸減弱,且150min時(shí)最大吸收峰強(qiáng)度相較120min時(shí)減小并不大,說(shuō)明此時(shí)碰撞因子已經(jīng)及低,很難繼續(xù)進(jìn)行降解反應(yīng)。因此,Ti/IrO2-RuO2電極電解PR廢水的最佳電解時(shí)間為120min。
圖1 電解時(shí)間對(duì)PR降解率的影響
電催化氧化過(guò)程中,電流密度(恒定電解質(zhì)Na2SO4的濃度=4.0g·L-1,廢水溶液起始pH=3,溫度=20℃)對(duì)PR廢水降解率的影響如圖2所示。圖2中顯示,增加電流密度能明顯提高廢水中PR的降解效率。電流密度過(guò)小將導(dǎo)致不能得到較高的電解效率,但若電流密度過(guò)大,將造成多余電能用于析氧反應(yīng),違背節(jié)能理念。綜合來(lái)看用Ti/IrO2-RuO2電極電催化氧化降解PR廢水時(shí),最佳電流密度為15mA·cm-2。
圖2 電流密度對(duì)PR降解率的影響
圖3 電解質(zhì)濃度對(duì)PR降解率的影響
在恒定電流密度為15mA·cm-2,廢水溶液起始pH=3,溫度為20℃的條件下,不同Na2SO4濃度對(duì)PR廢水降解效率的影響見(jiàn)圖3。圖3中顯示,電解質(zhì)增加到6.0g·L-1時(shí), PR降解率明顯有很大提高;但當(dāng)電解質(zhì)濃度繼續(xù)增大,PR廢水的降解率卻減小。雖然Na2SO4濃度在一定范圍內(nèi)增加可以有效提高電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率,減少析氧副反應(yīng),促進(jìn)電解反應(yīng)的進(jìn)行;但是隨著電解質(zhì)濃度增加,SO42-易吸附在電極的表面,電極的活性降低,降解率亦減小。因此,Ti/IrO2-RuO2電極電化學(xué)處理PR廢水時(shí),最佳的電解質(zhì)濃度為 6.0g·L-1。
電流密度為15mA·cm-2,電解質(zhì)Na2SO4濃度為4.0g·L-1,溫度為20℃的條件下,PR廢水的初始pH值,對(duì)PR降解率隨時(shí)間的變化如圖4所示。圖4中看出PR廢水降解率效果與溶液初始pH值關(guān)系密切,pH=7時(shí),PR降解率最高。這是因?yàn)橛袡C(jī)物的降解是通過(guò)與·OH反應(yīng)進(jìn)行的,而pH較小有利于·OH的生成,從而使反應(yīng)速率加快。但是,雖然在酸性環(huán)境下,反應(yīng)速率快,但電極穩(wěn)定性變低,反而使PR廢水降解效率降低。故此pH=7時(shí)為電化學(xué)處理PR廢水的最佳條件。
圖4 溶液初始pH值對(duì)PR降解率的影響
在恒定電流密度為15mA·cm-2,電解質(zhì)濃度為4.0g·L-1,pH=3的條件下,不同溫度下電解PR廢水降解率的影響如圖5所示。圖5中看出,溫度的升高有利于PR的電催化氧化降解。但綜合考慮電極穩(wěn)定性能耗等方面因素,Ti/IrO2-RuO2電極降解PR廢水的最佳溫度為40℃,PR廢水降解率為74.5%。
圖5 反應(yīng)溫度對(duì)PR降解率的影響
利用熱分解法制備的Ti/IrO2-RuO2電極對(duì)模擬PR廢水進(jìn)行電催化氧化降解,最佳降解條件如下:電流密度15mA·cm-2、電解質(zhì)Na2SO4濃度6.0g·L-1、廢水溶液起始pH=7、反應(yīng)溫度40℃,電解120 min后PR廢水降解率為74.5%。結(jié)果表明,Ti/IrO2-RuO2電極對(duì)苯酚紅廢水具有較好的降解效果。