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        三維電極系統(tǒng)降解靛藍(lán)廢水的工藝探究

        2019-10-15 11:04:10呂偉偉姚繼明
        印染助劑 2019年9期
        關(guān)鍵詞:灰類脫色活性炭

        呂偉偉,張 維,姚繼明

        (河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院,河北石家莊 050018)

        紡織行業(yè)是我國(guó)傳統(tǒng)型的支柱工業(yè),具體含有紡織、印染、化纖、服裝和紡織設(shè)備制造等5 個(gè)部分。我國(guó)在全球紡織和服裝產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的位置。但紡織行業(yè)帶來的環(huán)境污染也是巨大的,據(jù)統(tǒng)計(jì),紡織印染行業(yè)廢水排放量位居工業(yè)廢水排放量的第3 位,其中印染廢水的排放量占80%。印染廢水具有色度深、有機(jī)物含量高、組分復(fù)雜、毒性強(qiáng)、生物降解困難等特點(diǎn)。隨著牛仔布品種的逐年增加,靛藍(lán)常年保持高需求量。靛藍(lán)染料染色時(shí)需要先用保險(xiǎn)粉預(yù)還原為隱色體,在空氣中氧化成靛藍(lán)而固著在纖維上顯色,故靛藍(lán)廢水具有色度深、堿性大、COD值高等特點(diǎn)。目前降解靛藍(lán)廢水的常用方法有吸附法、臭氧降解法、微生物降解法、電化學(xué)降解法等[1-2]。

        電化學(xué)氧化是一種清潔環(huán)保的水處理技術(shù),通過電極與有機(jī)物之間的電子傳遞來達(dá)到氧化降解的目的,也可以通過電極產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物質(zhì)[3],如在含氯體系中,Cl-通過電解產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑ClO-,對(duì)染料的脫色及芳香雜環(huán)化合物的降解效率高[4],尤其在處理難降解有機(jī)廢水時(shí),氧化能力、電化學(xué)反應(yīng)速率等都可調(diào)節(jié)[5]。電化學(xué)技術(shù)一般采用二維電極系統(tǒng),傳統(tǒng)二維電極系統(tǒng)在電極比表面積、電流效率、電能耗等方面均存在缺陷,限制了電化學(xué)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣和發(fā)展。三維電極法又稱為三維電解或者三元電解,最早由著名化學(xué)家Bickhurst J R 在20 世紀(jì)60 年代末提出。三維電極法是在二維電極平行的陰陽電極板之間加入顆?;蛩樾碱惒牧希ㄈ缁钚蕴浚陔妶?chǎng)作用下,這些填充粒子材料表面會(huì)帶有電荷,形成一個(gè)個(gè)微小電極,與溶液中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),或者在電解時(shí)溶液中產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性物質(zhì)如HO·或ClO-,這些物質(zhì)與廢水中的污染物反應(yīng),實(shí)現(xiàn)氧化分解廢水中的有機(jī)物和其他需去除物質(zhì)的目的[6]。

        本課題選用單池電解池和電解質(zhì)NaCl 為二維電極系統(tǒng)組成材料,首先通過單因素實(shí)驗(yàn)篩選出合適的電極材料,隨后進(jìn)一步探討加入活性炭后的三維電極系統(tǒng)對(duì)靛藍(lán)廢水降解效率的影響,以廢水吸光度、COD、BOD/COD(B/C)值為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用灰色聚類分析方法找出綜合效果較好的工藝條件,為工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 材料及儀器

        材料:氯化鈉(NaCl,分析純,天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司),活性炭[梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司]。

        廢水:河北新大東紡織印染有限公司。

        設(shè)備:HZF-B5000 型電子天平(福州華志科學(xué)儀器有限公司),250 mL C002 型普通電解池(上海楚兮實(shí)業(yè)有限公司),F(xiàn)LP201B 型氧化還原電位計(jì)(大連弗朗電子有限公司),RXN-1503 型直流穩(wěn)壓電源(兆信電子有限公司),LY-X12 型消解器、LY-C3 型COD 快速測(cè)定儀、LY-1A 型BOD 快速測(cè)定儀(青島綠宇環(huán)??萍加邢薰荆?,磁力攪拌器(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司),JH756 型紫外可見分光光度儀(上海菁華科技有限公司)。

        1.2 靛藍(lán)廢水降解實(shí)驗(yàn)

        二維電極系統(tǒng):在電解池中加入250 mL 靛藍(lán)廢水和一定質(zhì)量濃度的NaCl 作為電解質(zhì),選取不同電極材料在5 V 電壓下降解靛藍(lán)廢水60 min,取降解后的廢水在670 nm 處測(cè)試吸光度。

        三維電極系統(tǒng):在電解池中加入250 mL 靛藍(lán)廢水,并加入一定質(zhì)量濃度的NaCl 作為電解液,在300 r/min 磁力攪拌下加入活性炭,在不同電壓下電解不同時(shí)間,取降解后的廢水測(cè)試吸光度、COD 和BOD。

        1.3 測(cè)試

        吸光度:采用紫外可見分光光度儀,在最大吸收波長(zhǎng)670 nm 處測(cè)定。

        BOD:參照HJ/T 86—2002《水質(zhì)生化需氧量微生物傳感器快速測(cè)定法》測(cè)試,每組廢水樣測(cè)試3 次,取平均值。

        COD:參照HJ/T 399—2007《水質(zhì)化學(xué)需氧量的快速測(cè)定快速消解分光光度法》測(cè)試,先將每組水樣在消解器中消解10 min,再測(cè)3組水樣,取平均值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 靛藍(lán)廢水吸光度的影響因素

        2.1.1 電極材料

        廢水脫色是指通過物理化學(xué)等方法去掉廢水所含色素,常用吸光度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[7],吸光度越小,脫色率越大,降解效果越好。選取陰陽極同為不銹鋼材料和陰極為不銹鋼材料、陽極為石墨材料作為對(duì)比,探究電極材料對(duì)靛藍(lán)廢水脫色效果的影響,結(jié)果如圖1所示。

        圖1 電極材料-吸光度關(guān)系圖

        由圖1 可知,在陰極材料為不銹鋼、陽極材料為石墨的電解系統(tǒng)中,當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度為10 g/L 時(shí),廢水吸光度達(dá)到最低。隨著電解質(zhì)質(zhì)量濃度的增加,吸光度變大,降解效果變差。在陰陽極材料均為不銹鋼的電解系統(tǒng)中,NaCl 質(zhì)量濃度在10 g/L 時(shí),吸光度達(dá)到最低點(diǎn),比陰極材料為不銹鋼、陽極材料為石墨的降解效果好。這是由于有機(jī)物僅在石墨電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),溶液中的有機(jī)物降解很少,且石墨電極易發(fā)生析氧反應(yīng)導(dǎo)致電極失活[8]。當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度持續(xù)增加時(shí),材料為石墨的陽極電流隨之增大,且比材料為不銹鋼的陽極電流大,增大了石墨電極表面和部分溶液中有機(jī)物的降解效率,但過高的電流加速了石墨電極的腐蝕。

        2.1.2 三維電極法

        由圖2 可知,二維電極法降解廢水的吸光度隨著NaCl 質(zhì)量濃度的增加而增大,在10 g/L 時(shí)吸光度最小,脫色率達(dá)到96.71%。三維電極法降解廢水的吸光度均低于二維電極法。在NaCl 質(zhì)量濃度為10 g/L 時(shí)加入0.4 g/L 活性炭,脫色率為98.01%。因?yàn)樵陟o電場(chǎng)作用下活性炭表面帶電,形成許多微小電極,不僅提高了面積體積比、減小了物質(zhì)間的遷移距離,還進(jìn)一步提高了傳質(zhì)速率和電流效率[9]。相比二維電極法,三維電極法脫色率提高了1.3%。

        圖2 二維/三維電極法處理廢水的吸光度變化圖

        2.2 三維電極法降解靛藍(lán)廢水

        2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)

        三維電極法影響廢水降解的因素有很多。本實(shí)驗(yàn)以NaCl 質(zhì)量濃度、活性炭用量、電解時(shí)間、電壓作為影響因子,設(shè)計(jì)4 因素3 水平正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)因素、水平和結(jié)果如表1所示。

        表1 降解廢水正交實(shí)驗(yàn)

        由表1 可知,與原廢水相比,降解后廢水的吸光度、COD 顯著降低,吸光度最低可達(dá)0.024,脫色率為99.09%;COD最低為161.1 mg/L,去除率為81.47%。B/C值作為衡量可生化性的指標(biāo),大于0.3的廢水屬于可生物降解廢水。B/C值越高,表明廢水采用好氧生物處理效果越好。從表1 中可以看出,三維電化學(xué)體系降解靛藍(lán)廢水的可生化性較好。

        從均值上看,當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度10 g/L、活性炭用量1.2 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓5 V 時(shí),吸光度最低,脫色效果最好。由極差可知,活性炭用量對(duì)吸光度影響最大,各因素顯著性影響從大到小的次序?yàn)锽、A、C、D。這是由于活性炭具有高表面積、疏松多孔、吸附容量大等特點(diǎn),作為粒子電極加入到三維電極中,極大地增強(qiáng)了單位槽體積的電極表面積,使反應(yīng)速度明顯提升[5]。

        當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度5 g/L、活性炭用量0.4 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓3 V 時(shí),COD 值達(dá)到最低。從極差可知,NaCl 質(zhì)量濃度對(duì)COD 去除率影響最大,各因素顯著性影響從大到小的次序?yàn)锳、B、C、D。有機(jī)污染物在陽極氧化降解過程中的主要競(jìng)爭(zhēng)副反應(yīng)是析氧反應(yīng),析氧電位越高,析氧副反應(yīng)就越不易發(fā)生[10]。粒子電極活性炭的加入增大了析氧電位,有利于產(chǎn)生ClO-等強(qiáng)氧化劑,使溶液中污染物氧化降解,有效提高電流效率[11]。

        在NaCl 質(zhì)量濃度5 g/L、活性炭用量0.8 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓3 V 時(shí),B/C值達(dá)到最大,可生化性最好。廢水中污染物被活性炭吸附,有利于提高強(qiáng)氧化性物質(zhì)ClO-的間接氧化效率,進(jìn)一步提高了廢水的可生化性[12]。各因素顯著性影響從大到小的次序?yàn)镃、A、D、B,降解時(shí)間對(duì)可生化性影響最大。

        2.2.2 灰色聚類分析

        將電化學(xué)降解后廢水的吸光度、COD 和B/C值進(jìn)行均值結(jié)果分析,各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的優(yōu)選工藝條件如表2所示。

        表2 正交分析的優(yōu)選工藝參數(shù)

        廢水3 項(xiàng)指標(biāo)各自對(duì)應(yīng)的優(yōu)選工藝條件不同,要找出綜合所有指標(biāo)的優(yōu)選工藝還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。按表2 實(shí)驗(yàn)方案氧化降解靛藍(lán)廢水,測(cè)得處理后廢水的性能指標(biāo)如表3所示。

        表3 優(yōu)選工藝下廢水降解指標(biāo)

        對(duì)表3 的單項(xiàng)指標(biāo)逐一對(duì)比無法綜合評(píng)價(jià)廢水的降解情況,需采用數(shù)據(jù)分析方法對(duì)靛藍(lán)廢水氧化降解指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)?;疑垲惙治鲅芯俊靶颖尽⒇毿畔ⅰ钡牟淮_定性系統(tǒng),因此,采用灰色聚類分析法對(duì)廢水降解情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[11]。

        將3 個(gè)實(shí)驗(yàn)方案記為聚類對(duì)象i(i=1、2、3),將廢水吸光度、COD、B/C等3項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)記為聚類指標(biāo)j(j=1、2、3),將綜合性能分為好、中、差3 種,記為k1、k2、k33個(gè)灰類,具體聚類過程如下。

        靛藍(lán)廢水吸光度、COD 越小越好,B/C越大可生化性越好,在灰色聚類的計(jì)算中,所有數(shù)據(jù)均須以正相關(guān)關(guān)系計(jì)入。

        (1)矩陣中行為分析時(shí)的3 個(gè)實(shí)驗(yàn),列為相對(duì)應(yīng)廢水降解指標(biāo)的測(cè)試值,將表3 中的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)3×3的矩陣Dij,如式(1)所示。

        (2)定義j指標(biāo)對(duì)s個(gè)灰類(s=k1、k2、k3)的區(qū)間,計(jì)算方法如下。

        A 綜合性能好的灰類區(qū)間為:

        B 綜合性能中等的灰類區(qū)間為:

        C 綜合性能差的灰類區(qū)間為:

        (3)定義j指標(biāo)k子類的白化權(quán)函數(shù),具體的計(jì)算方法如下。

        分別取Xj、Yj、Zj為舒適性能好、中、差的灰類區(qū)間中點(diǎn),有:

        定義白化權(quán)函數(shù)如下:

        (4)根據(jù)白化權(quán)函數(shù),確定j指標(biāo)k子類臨界值并計(jì)算j指標(biāo)k子類的權(quán)計(jì)算結(jié)果如式(2)所示:

        計(jì)算聚類系數(shù)矩陣,計(jì)算結(jié)果如式(3)所示:

        式(3)中,每一橫行的3 個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)著靛藍(lán)廢水綜合評(píng)價(jià)屬于好、中、差3 個(gè)灰類的可能性大小,哪個(gè)數(shù)值最大,則這種材料即屬于哪個(gè)灰類[4]。例如3 個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)著相應(yīng)第二組實(shí)驗(yàn)方案中屬于好、中、差3 個(gè)灰類的可能性大小最大,則說明第二組廢水降解效果為差的一類。

        根據(jù)灰色聚類分析法的結(jié)果,第1、3 組的綜合性能較好,且大于即第一組實(shí)驗(yàn)靛藍(lán)廢水降解效果最好,即在電壓5 V、NaCl 質(zhì)量濃度10 g/L、活性炭用量0.3 g/L 條件下,電解靛藍(lán)廢水60 min 時(shí)可獲得最好的降解效果。

        3 結(jié)論

        (1)以不銹鋼作為陰陽極,采取二維、三維電極法氧化降解靛藍(lán)廢水,吸光度結(jié)果顯示:三維電極法降解廢水具有明顯優(yōu)勢(shì)。二維電極法脫色率達(dá)到96.71%,三維電極法脫色率高達(dá)98.01%。

        (2)以NaCl 質(zhì)量濃度、活性炭用量、電解時(shí)間、電壓為影響因子,吸光度、COD、B/C為降解指標(biāo),通過正交實(shí)驗(yàn)得出,當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度10 g/L、活性炭用量1.2 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓5 V 時(shí),廢水吸光度最低。當(dāng)NaCl 質(zhì)量濃度5 g/L、活性炭用量0.4 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓3 V 時(shí),COD 值達(dá)到最低。在NaCl質(zhì)量濃度5 g/L、活性炭用量0.8 g/L、脫色時(shí)間60 min、電壓3 V 時(shí),B/C值達(dá)到最大,可生化性最好。

        (3)灰色聚類分析表明,三維電極法降解靛藍(lán)廢水優(yōu)選工藝為:電壓5 V、NaCl 質(zhì)量濃度10 g/L、活性炭用量1.2 g/L。在此條件下電解靛藍(lán)廢水60 min,脫色率為95.84%,COD 去除率可以達(dá)到87.50%,B/C為1.57。

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