陳 江 唐 偉

（1浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江杭州 311231 2杭州市環(huán)境保護科學(xué)研究院 浙江杭州 310014）

1 引言

甲苯等揮發(fā)性有機廢氣對人體健康與生態(tài)環(huán)境造成很大危害，也是產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的重要因素[1]。目前企業(yè)正在轉(zhuǎn)型升級，中共浙江省委提出，要推進“八八戰(zhàn)略”再深化，堅決打贏污染防治攻堅戰(zhàn)，全面加強生態(tài)環(huán)境保護[2]。

電化學(xué)氧化法是污水高級氧化技術(shù)（AOP）的重要方法之一[3]，因為具有操作靈活，功能性強等特點，在污水處理、環(huán)境專業(yè)教育中被廣泛使用[4]。本研究提出使用電化學(xué)反應(yīng)器處理甲苯廢氣，RuO2/Ti電極產(chǎn)生的強氧化性活性物質(zhì)高效氧化降解液相中的甲苯[5]。

2 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示，采用的模擬廢氣是甲苯和空氣混合氣體。氮氣以一定流量進入甲苯氣原料罐，帶出蒸氣，具體氣量由蠕動泵5控制，蠕動泵的傳遞量為0.05ml/min；另一路氧氣通過轉(zhuǎn)子流量計與甲苯揮發(fā)性蒸氣混合形成模擬甲苯廢氣后進入反應(yīng)器。廢氣從反應(yīng)器7的底部導(dǎo)入，經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)器從上部排出進入FTIR傅利葉紅外光譜9，在線檢測尾氣中甲苯含量。產(chǎn)物使用氣相色譜進行分析。

圖1 實驗裝置及流程1.氧氣瓶 2.氮氣瓶 3-4.流量計 5.蠕動泵 6.甲苯原料罐7.電化學(xué)反應(yīng)器 8.直流電源 9.FTIR傅利葉紅外光譜儀

電化學(xué)反應(yīng)器為塔式結(jié)構(gòu)，尺寸為650 mm×120 mm×120 mm，主要由聚乙烯電解槽、直流電源、電極組成。尺寸為90 mm×120mm，厚度1mm的鈦基鍍釕網(wǎng)作為陽極，不銹鋼網(wǎng)作為陰極，極板間距為80mm，極板間填充活性炭顆粒作為流化態(tài)粒子，1%的NaCl溶液為電解液。產(chǎn)物分析采用GC-2014氣相色譜儀、370DTGS傅利葉紅外光譜儀。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 電解槽電壓對甲苯廢氣去除率的影響

調(diào)節(jié)鼓吹氮氣流量為1600ml/min，氧氣流量為400 ml/min，使得進口甲苯廢氣濃度約為1500 mg/m3。直流電源設(shè)置為3A，調(diào)整電壓為5-25V，電解反應(yīng)時間在30min后，抽取進出口氣體檢測甲苯濃度。

圖2 槽電壓對甲苯廢氣去除率的影響

由圖2可知，在較低電壓下，隨著反應(yīng)電壓的增大，甲苯去除率不斷提高，呈現(xiàn)線性關(guān)系；當反應(yīng)電壓達到20V時，處理效果不再隨電壓發(fā)生顯著變化。加大電解電壓使得廢氣降解效果提高的作用機理可認為是電勢的增加引起電化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動力的增加。在反應(yīng)器中，填充粒子在高梯度電場作用下發(fā)生感應(yīng)而復(fù)極化為復(fù)極性粒子，每個粒子形成了三維電極[6]，即在粒子兩端分別發(fā)生陰陽極反應(yīng)，體系中溶液與電極的接觸面積大，電流效率和時空產(chǎn)率高，傳質(zhì)效果更好，粒子之間形成了大量的微電池，在電池電解作用下生成具有可打破污染物分子結(jié)構(gòu)的強氧化性?OH自由基[7]，提升了甲苯廢氣降解效果。在甲苯廢氣的降解過程中還存在著水的電解、析氫析氯等反應(yīng)[8]，消耗部分電能。

3.2 電解質(zhì)及電壓對甲苯廢氣去除率的協(xié)同影響

更換氯化鈉電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉溶液，考察電解質(zhì)對處理效果的影響，同時改變反應(yīng)電壓，考察不同電壓對甲苯去除效果的影響。實驗中，氮氣流量為2000ml/min，蠕動泵的轉(zhuǎn)速調(diào)解為3rad/min，運行時間為30min。

圖3 電解質(zhì)對甲苯廢氣去除率的影響

由圖3可得，相同反應(yīng)條件下，使用NaOH作為電解質(zhì)的去除效果好于NaCL作為電解質(zhì)的效果。同時電壓越大，使用氫氧化鈉作為電解質(zhì)的電流也較大，對甲苯的去除效率高?？烧J為溶液的PH值對H2O2產(chǎn)生量有明顯影響，H2O2產(chǎn)生量隨PH值升高而增加[9]。氫氧化鈉電解液為反應(yīng)提供了堿性環(huán)境，電池陽極會積聚大量OH-離子，失電子生成O2和H2O2，，促進甲苯的氧化降解，H2O2的也會部分轉(zhuǎn)化為·OH，同時，體系中·OH大量生成，而·OH具有很強的氧化還原電位，可快速氧化甲苯，促進電解反應(yīng)正方向進行。

3.3 填充物和電流強度對甲苯廢氣去除率的協(xié)同影響

在氮氣流量為1600ml/min，氧氣流量為400ml/min，甲苯進氣濃度約為1500mg/m3條件下，比較填充活性炭對電化學(xué)反應(yīng)器處理效果的影響。同時調(diào)節(jié)電流強度，考察電流強度對甲苯去除率的影響。

由圖4可知，在相同電流強度下，填充活性炭的電化學(xué)反應(yīng)器降解效率明顯高于無填充物的，改變電流強度，甲苯去除率總體隨電流強度的增大而增大。有填充物反應(yīng)器在電流為3A時達到處理峰值，甲苯去除率42.6%，未含填充物反應(yīng)器在電流為4A時達到處理峰值，甲苯去除率23.5%。這可以認為在主電極間填充的活性炭顆粒在電流作用下形成了復(fù)極性微電極，作用類似于微小電解槽[10]，能全方位利用反應(yīng)器內(nèi)的空間，強化了電場作用。

圖4 填充物對甲苯廢氣去除率的比較

結(jié)語

（1）電化學(xué)氧化法通過帶電荷的活性炭顆粒強化對甲苯分子的吸附作用，并在電極上發(fā)生直接電化學(xué)反應(yīng)，電極表面產(chǎn)生的·OH和H2O2等強氧化性活性物質(zhì)，降解效率明顯高于吸附法。

（2）隨著電解槽電壓的增大，甲苯去除率不斷提高，呈現(xiàn)線性關(guān)系；當反應(yīng)電壓達到20V時，處理效果不再隨電壓發(fā)生顯著變化。

（3）填充了活性炭的電化學(xué)反應(yīng)器在電流為3A時達到處理峰值，甲苯去除率42.6%，主要是因為每個活性粒子形成復(fù)極性微電極，起到強化電場和提升傳質(zhì)效果作用；反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2、·OH、等具有較強氧化性，會進攻電子云密度點，發(fā)生快速反應(yīng)，使甲苯氧化為苯甲酸。