三维电极法

2024-05-10

三维电极法（精选8篇）

三维电极法篇1

摘要：本文通过实验来探索研究了三维电极法降解制药废水的最佳条件及降解效果。

关键词：三维电极法,制药废水,环保节能性,影响因素

随着我国医药产业的快速发展, 西医制药工业也有了巨大的发展, 但制药工业排放的工业废水成为了重要的污染源。对我国江河造成很大的污染。制药很多工序都产生制药废水, 其中抗生素、药物合成、中成药生产过程中产生的制药废水最多。制药废水主要包括各类制剂生产过程所用于洗漆和冲洗所产生的废水。制药废水组成复杂, 含大量有毒污染物, 其中大多有机物生物毒性较强, 制药废水同时具有色度深和盐度高等特点, 因此制药废水可生化性差。如何处理制药工业废水已成为全世界环境保护和污染防治问题中的一个难题。

1 制药废水特点及危害

1.1 特点

制药工业废水有机物浓度高、生物毒性大、色度高、盐度高, 是较难处理的高浓度有机污水, 其主要表现为以下特点: (1) 制药废水中的成份复杂, 含有许多种化学中间体污染物, 且浓度较高。 (2) 制药废水的冲击负荷大, 制药企业的生产流程一般是固定化且分段式的单罐序批式生产, 并不是连续性排放污水, 这种生产方式导致污水其组成和水量、水质变化很大, 难以预计。 (3) 制药企业特别是抗生素生产企业排放的废水中含有大量的抗生素, 抗生素抑制微生物的生长, 导致这种废水难以生化降解, 可生化性差。 (4) 部分制药废水色度较高[1]。

1.2 危害

制药废水具有有机污染物浓度大、生物毒性大、有机溶解物含量高、难生物分解物质含量高、盐度高等特点, 更有极易挥发的有机污染物, 导致污水排放口周边空气中化学物质浓度超过环境浓度限值是一种对环境危害较大的难降解工业废水。制药废水排放口进入其夏天以后, 气温较高, 水体温度高, 废水中微生物迅速生长, 水体发酵后会产生臭味, 污染周边空气环境。制药废水会排放大量有毒有害的污染物, 这些物质进入自然水体中, 能长时间残留在水体中, 且大多具有持续较强的毒性和致癌、致畸、致突变作用, 难生物降解的有机物通过食物链不断积累、富集、最终进入动物或人体内产生毒性或其他危害, 危害生物健康。未经处理或处理未达标准排放的制药工业废水, 将对收纳水体造成严重污染[2]。

2 制药废水处理方法

2.1 常见方法

将制药工业废水处理技术进行分类, 可以分为化学法、物理法、生物法、及综合法。化学法处理制药工业废水主要包括Fenton氧化法、湿化氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法。物理法处理制药工业废水包括超声声化法、电解法、催化铁内电解法及混凝沉淀法、气浮法、吸附法和膜分离法。由于制药废水微生物难降解, 生物法多用在联合处理后续处理工序中。

2.2 三维电极法

三维电极法降解制药废水有机物去除率高, 它是一种新型的电化学降解反应器, 三维电极又称为粒子电极或床电极。三维电极反应器在传统电解槽中的电极板之间添加具有导电性能的颗粒, 工作电极与导电粒子通过制药废水作为介质相连, 使导电颗粒表面带电, 这样导电颗粒成为电解反应装置中新的一个电极, 即第三极, 使污水降解的化学反应在工作电极表面发生, 增加了反应面积从而提高电解效率[3]。

3 实验部分

3.1 实验装置

本研究以自制三维电极作为研究对象, 该复合电极电化学反应装置最显著的特点是阴阳电极间距是可调的。电解槽材质为玻璃钢槽, 电解槽的有效容积为2.0L。本实验以阴、阳极相同材质的不锈钢电极作为主电极材料, 三维电极填充颗粒为活性炭。装置如图1所示。

3.2 实验方法

将盐酸利多卡因、苯甲酸钠、苯甲酸、盐酸环丙沙星以去离子水为溶剂配制成溶液, 其中盐酸利多卡因为2g/L, 另三种药物均为lg/L, 以配置好的溶液作为原溶液。以原溶液为基础, 通过容量瓶稀释法配制一组浓度一定的稀溶液, 在四种药物的最大紫外吸收波长352nm下, 测定稀释液的吸光度, 以吸光度和药品浓度相对数据做出制药废水不同的浓度曲线。将处理后的稀释液通过过滤、稀释100倍后在各自最大紫外吸收波长时测稀释液的吸光度, 将测得的吸光度代入预先做出的标准曲线中, 即可得出电解后废水中剩余药物浓度:

式中:c———溶液中剩余药物浓度, mg/L;

A———药物标准液稀释100倍后吸光度;

K———标准曲线线性方程中的斜率;

b———标准曲线线性方程中截距

3.3 实验结果

极板间距的影响结果。分别取440m L的模拟稀释液置于电解槽中, 以不诱钢板为阴阳两极的主电极板, 分别设置不同的主电极间距, 在36V的直流电电压下电解2h, 得出主电极间距对模拟废水中药物去除效果的影响。在其他条件不变的条件下改变主电极极板距离, 得到不同的废水处理效果。观察去除率变化规律, 得出去除率呈现出开口向下的抛物线趋势, 即去除率先提高后降低, 当主电极两端间距为4cm时, 3种模拟废水中药物去除率最佳, 分别达到70.7%, 71.4%, 78.9%。

4 环保节能性

三维电极法是一种具有重要应用前景的环境电化学技术, 它处理废水效率高, 无需投加药剂, 无二次污染, 污泥量少, 更加环保, 整个过程需要的动力消耗少, 后处理简单, 比较节约资源能源, 投资少, 易工业化。

5 结语

三维电极处理模拟制药废水时, 最佳反应条件为极板距离4cm、电解电压36V。但其反应动力学及反应机理有待进一步研究。

参考文献

[1]许畅.三维电极法处理难降解制药废水研究.长江大学.2013.04.

[2]刘峰.综合制药废水生物处理工程化技术研究.吉林大学.2008.05.

[3]陈武.三维电极处理几种模拟有机废水研究.华中科技大学.2007.04.

三维电极法篇2

摘要：依据能量守恒定律,推出了三维电极反应器输入能量的理论计算公式.通过相应的数学方法,对公式进行了简化;应用相关试验证明了公式能够描述实际的.电化学过程.采用简化后的公式进行试验数据处理,可以得出关于三维电极反应器设计最重要的特征参数K1,K2,通过试验确定特征参数K1,K2后,能够精确地指导工艺设计.作者：王立章傅剑锋乔启成 WANG Li-zhang FU Jian-feng QIAO Qi-cheng 作者单位：王立章,乔启成,WANG Li-zhang,QIAO Qi-cheng(中国矿业大学,环境与测绘学院,江苏,徐州,221008)

傅剑锋,FU Jian-feng(东南大学,环境工程系,江苏,南京,210096)

三维电极法篇3

随着工业的高速发展, 环境污染问题越来越严峻。特别是有机合成工业的发展使得大量人工合成有机物不断出现。这类有机污染物除了具有一般有机物共同的特性外, 还具有分子量大、结构复杂、化学性质稳定、对生命体有毒害、不易被生物降解等特点[1,2,3]。以苯酚废水为例, 酚类化合物作为化工原料或中间体, 在炼油、焦化、医药、印染、橡胶等工业生产中广泛应用, 都会产生含酚废水。含有苯酚的废水, 不经处理任意排放就会对人体、水体及鱼体造成严重危害[4]。因此, 如何有效地处理酚类等难降解有机物废水, 已成为水处理技术研究的重要课题。

由Hoigne提出的高级氧化技术是近年来处理难降解有机物的研究热点[5]。高级氧化技术中的电催化氧化法因其反应条件温和、操作简单、设备易得、无二次污染等优点, 具有更多的优势。但是, 单独采用电催化氧化法和电-Fenton法存在处理效率低、能耗高的弊端。由Backhurst等提出的三维电极法, 具有降解彻底、效率高、能耗低等优点[6]。因此, 有必要研究电催化氧化法与三维电极联用的技术, 考察其处理效果, 为实际运用提供参考。

1 试验部分

1.1 试剂

苯酚, Na2SO4, NH4Cl, NH3, K3[Fe (CN) 6], 4-氨基安替比林, NaOH和H2SO4, 均为分析纯。

1.2 仪器

HB 17301 SL型直流稳压电源, HJ-3型数码恒温磁力搅拌器, BS 124 S型电子分析天平, Mettler Toledo 320 pH Meter酸度计 (pH计) , DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱, ACO-001型小型空气泵, 722S型分光光度计, 等。

1.3 分析方法

溶液中苯酚的含量采用4-氨基安替比林比色法测定。

测定原理为酚类化合物pH=10.0±0.2的介质中, 用K3[Fe (CN) 6]作氧化剂, 与4-氨基安替比林反应, 生成红色的吲哚酚安替比林染料, 其水溶液在510 nm波长处有最大吸收。

测定步骤为向电解槽中加入配制好的300 mg/L苯酚模拟废水溶液300 mL, 然后加入NaOH或者H2SO4调节溶液的pH值, 加入Na2SO4调节溶液的电导率。电解一定时间后, 取样, 过滤, 分别取滤液0.2 mL和0.2 mL去离子水 (作为空白样作参比溶液) 于25 mL容量瓶中, 然后, 各加入0.25 mL NH3缓冲溶液, 0.5 mL2%的4-氨基安替比林溶液, 混匀。再加入8% K3[Fe (CN) 6]溶液0.5 mL, 再彻底混匀。最后补加去离子水至25 mL, 放置10 min后, 于510 nm处在722型分光光度计上测定。

2 试验结果与讨论

2.1 正交试验

在对电催化氧化法处理苯酚废水进行初步试验的基础上, 参考相关文献资料, 综合考虑各种因素设计了以苯酚废水pH值、电解电压、支持电解质 (Na2SO4) 浓度、电解时间为变量的四因素四水平的正交试验。电催化氧化法处理苯酚废水的正交试验结果及分析列于表1和表2中。

从表2可以看出, 电催化氧化法处理苯酚废水试验中, 影响因素作用大小的次序为电解电压>电解时间>pH值>支持电解质浓度。正交试验结果表明, 电催化氧化体系中, 试验影响因素的最优条件为pH值为6, 电解电压为9 V, 支持电解质浓度为20 g/L, 电解时间为120 min。

2.2 因素水平变化趋势图分析

溶液pH值的变化不但能使有些氧化还原反应的电位发生移动, 而且会改变电极表面的荷电性质, 从而影响有机物在电极表面的吸附和反应活性。由图1可以看出, 当溶液pH值为6时, 即苯酚溶液的pH值不经调节时, 苯酚的降解率最大;在酸性或碱性条件下, 苯酚降解率下降;但是, 在酸性条件下苯酚降解率略高于碱性条件下。分析其原因可能是酸性条件下, 苯酚氧化产生的CO2从溶液中逸出;碱性体系中CO2会发生反应生成CO3-2和HCO-3, 导致溶液体系的碳酸化。而电催化氧化体系中产生的强氧化剂·OH与HCO-3, CO3-2的反应速度比与有机物反应的速度快得多, 使得大量的·OH被产生的HCO-3, CO3-2消耗。因此, 与酸性条件下相比, 碱性条件下去除率下降, 故应选择最佳pH值为6。

电压是电解反应进行的基础, 其大小直接影响着电解反应的速率和催化效率。由图2可以看出随着电压逐渐升高, 苯酚降解率总体呈明显上升趋势。电压从3 V增加到9 V的过程中, 降解率明显上升;但电压从9 V升到12 V的过程中, 降解率却略微下降。分析其原因可能是电压增大, 即发生电化学氧化还原反应的电位差增大, 于是处理效果提高。但随电压的进一步升高, 导电粒子上水的电解等副反应加剧, 同时产生的大量气泡, 使得污染物在电极上或导电粒子上不能很好地吸附, 使得处理效率大大降低。同时, 当对体系施加较高的电压时, 会增加短路电流和旁路电流的产生, 增大能耗, 降低反应的能量效率, 故选择最佳电解电压为9 V。

从理论上讲, 溶液中电解质浓度越大, 电导率越大, 电流随之增大, 进而电解速率也越大。从图3可以看出随着电解质浓度的增加, 苯酚的降解率缓慢上升, 当电解质浓度达到一定值时 (20 g/L) , 继续增加电解质的浓度, 降解率不再升高, 甚至有略微的下降。分析其原因可能是初始反应电流随着电解质浓度的增加而增加, 因此, 增加电解质的浓度, 可以提高苯酚的降解率。同时, 电化学过程中电解质也可能会参与产生复杂的电化学反应, 对Na2SO4来说有·SO-4+·OH→HSO-5, 所以, 电解质浓度达到一定值后, 继续增加, 反而会消耗体系中·OH, 影响苯酚的降解率。此外, 增加电解质的浓度既增加了操作费用, 又增加了电解质对水的污染, 故选择最佳电解质浓度为20 g/L。

从图4可以看出苯酚降解率随着电解时间的增加呈明显上升趋势。其原因可能是随着反应时间的增加, 电极表面的反应物越来越多, 同时, 体系中产生的氧化性物质, 如, ·OH的量也随时间的增长而增多, 所以被氧化分解有机物的量会越来越多。另外, 随着降解过程的进行, 中间产物的竞争反应增多, 上升趋势会减缓, 曲线趋于平缓, 故最佳反应时间选择120 min。

2.3 三维电极法处理苯酚废水活性炭投加量试验

试验条件为300 mL, 0.3 g/L的苯酚溶液, 电解电压为9 V, pH=6, 电解时间为120 min, 活性炭 (预先处理过无吸附能力) 投加量分别为100 g/L, 150 g/L, 200 g/L。

试验方法为3组对比试验, 每组试验均20 min取1次样, 用722分光光度计测其吸光度值。通过此试验, 可确定一定条件下最佳活性炭投加量。不同的活性炭投加量对苯酚降解率影响见图5。

由图5可以看出, 随着活性炭颗粒投加量的增加, 苯酚废水降解率先呈上升, 后又呈现略微下降的趋势。3组试验均60 min前降解率明显上升, 60 min后上升幅度减小, 100 min后趋于平缓。分析其原因可能是随着活性炭量的增大, 工作电极数量增加, 在粒子电极表面产生的氧化物质增多;电极表面积同时也增加了, 有利于有机物在粒子电极表面的氧化降解, 加快了苯酚的降解速度。但是, 当粒子增加到一定程度后, 对电化学反应起主要作用的悬浮态粒子不再发生很大的变化, 对苯酚去除率的影响逐渐减少, 故该试验最佳活性炭颗粒投加量为150 g/L。

2.4 二维电极法与三维电极法处理效果对比试验

二维电极法 (电催化氧化法) 与三维电极法处理苯酚废水的结果见图6。试验条件为300 mL, 0.3 g/L的苯酚溶液, 电解电压为9 V, pH=3, 电解时间为120 min (每20 min取1次样) , 活性炭投加量分别为150 g/L。

由图6可以看出, 二维电极法中前80 min降解率增长较快, 80 min之后增长减缓。三维电极法前60 min降解率增长很快, 且60 min时接近最高值, 60 min之后趋于平缓。三维电极法明显优于二维电极法。三维电极法20 min时的降解率为65.6%, 接近于电催化氧化法80 min时的降解率67.8%。分析其原因可能是与二维电极法相比, 三维电极法有机地结合了表面催化, 氧化还原等多种降解过程, 极大地增加了单位槽体积的电极表面积, 另外, 由于粒子复极化, 使得废水中的有机物既可遮阳极发生直接氧化降解又可通过阳极产生的·OH间接氧化降解, 还可在阴极产生的H2O作用下发生氧化降解, 从而提高了废水的降解率。因此, 深入研究三维电极法是很有必要的, 通过对三维电极的研究可以使高级氧化技术更好地应用于实际。

3 结语

a) 正交设计试验电催化氧化法处理苯酚废水, 试验结果和极差分析表明, 电解电压对苯酚降解率影响最大, 其次是电解时间, 再次是pH值, 最后是支持电解质浓度。电催化氧化体系中试验影响因素最优条件, pH值为6, 电解电压为9 V, 支持电解质浓度为20 g/L, 电解时间为120 min;

b) 在一定条件下, 只考虑活性炭投加量的影响, 三维电极法处理苯酚废水的最佳活性炭投加量为150 g/L;

c) 在一定条件下, 三维电极法揣理苯酚废水效果明显优于二维电极法。

参考文献

[1]MOTERS B, WUJ S.Removal of organic precursors by per-man-ganate oxidation and alum coagulation[J].Water Rese-arch, 1985, 19 (3) :309-314.

[2]SANTOS V L, LI NARDI V R.Biodegradation of pHenol bya filamentous fungi isolated fromindustrial efflu-ents-identifi-cation and degradation potential[J].Process Biochemistry, 2004, 39 (8) :1001-1006.

[3]LI X Y, CUI Y H, FENG YJ, et al.Reaction pathways andmechanisms of the electrochemical degradation of pHenol ondifferent electrodes[J].Water Re-search, 2005, 39 (10) :1972-1981.

[4]俞誉福, 毛家骏.环境污染与人体保健[M].上海:复旦大学出版社, 1985:134-136.

[5]HOIGNE J, BADER H.Ozonation of water:role of hydroxylradicl reactions in ozonation process in aqueous solutions.Wat.Res, 1976 (10) :377-386.

三维电极法篇4

三维电极-电Fenton法[2,3]是一种新型的电化学水处理技术,它针对二维平板电Fenton法传质效果差、电流效率低、能耗高的缺点,将粒子电极引入到电Fenton体系中,增大了工作电极的表面积,改善了传质效果,从而极大地提高了电流效率和单位时空产率。实验选用传质效率极高的颗粒活性炭(GAC)为填充粒子,构建电化学反应体系对印染废水进行处理,考察不同参数对模拟印染废水酸性大红脱色率的影响,找出最佳反应条件。

1 实验部分

1.1 仪器、材料与试剂

仪器:RXN—3010A恒压/恒流电源(深圳兆信电子仪器设备厂);HS—3B精密pH计(上海雷磁仪器厂);自制电解槽。

材料与试剂:阴阳极材料均为不锈钢板,3 mm圆柱型的活性炭粒子作为填充粒子,所有化学药剂均为分析纯。

1.2 实验废水

实验选取具有代表性的偶氮类染料酸性大红3R模拟废水作为研究对象,酸性大红含量为100~1 000 mg/L,在实验过程中加入NaOH溶液或H2SO4溶液调节废水的pH值;同时加入Na2SO4调节配制废水的电导率,研究废水在不同条件下的电化学反应进程。实验过程中溶液的配制均采用蒸馏水。

1.3 实验装置

实验使用的电极反应器为自设计长方体电解槽(图1)。

反应器用有机玻璃材料粘合制成,底部装了分布有均匀小孔的布气板,在进气孔处通入压缩空气,布气孔直径为2 mm。电极相对面积为5×14 cm2,电解槽容积为15 cm×12 cm×15 cm。

1.4 分析方法

用721型分光光度计于酸性大红3R的主吸收波长510 nm处测定其吸光度,依下式计算脱色率:

undefined

式中: Et为处理到t时刻时含酸性大红3R水溶液的脱色率;A0为原水处理前的吸光度;At为处理到t时刻时水溶液的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 正交试验

影响三维电极-电Fenton反应器处理效果的因素有很多,因此正交试验能很好地得出各因素的主次关系。试验选定各因素及其水平如下:

电解电压A(V): A1=10, A2=15, A3=20,

A4=25;

电解时间B(min): B1=30, B2=60, B3=90, B4=120;

酸性大红原始浓度C(mg/L): C1=100, C2=300, C3=500, C4=1 000;

Fe2+浓度D(以硫酸亚铁的质量浓度计,g/L):D1=0.00, D2=0.25, D3=0.75, D4=2.00;

极板间距E(cm):E1=5, E2=6, E3=7, E4=8。

试验选择了5个因素,每个因素有4个水平,选用L16(45)正交表安排共需16个试验,正交表中每一个横行代表要试验的一种条件,每列代表各因素的不同水平。按照标准正交表的组合进行试验(过程略),结果如图2。

通常,用极差R来区分每个因素对试验指标的影响程度,某因素的R越大,说明这个因素对指标的影响越显著,是主要因素;反之,则是次要因素。根据图2,得到影响因素电解电压A、电解时间B、酸性大红原始浓度C、Fe2+浓度D、极板间距E的极差R分别为25.1、 24.2、 9.3、 8.2、 7.8。根据趋势图直观分析方法得出影响色度去除率的主次关系为:电压> 时间>模拟废水初始浓度>硫酸亚铁投加

量>极板间距。因此,在保持次要因素最优的条件下,进一步对主要影响条件进行单因素影响分析。

从图2可得出能获得最佳处理效率的试验条件为: A3B4C4D3E1,亦即槽电压20 V、电解时间120 min、酸性大红浓度1 000 mg/L、外加FeSO4·7H2O 浓度0.75 g/L,极板间距5 cm。

2.2 槽电压的影响

电催化法去除水中有机物的必备条件是槽电压(电解电压)。电压大小直接影响着电极反应的速率和电催化的效率。本次试验通过改变所通电解电压(由RXN—3010A恒压/恒流电源供给)的大小来研究对色度去除率的影响(图3)。

当电解电压在一定范围内时,色度去除率随着电解电压的增大而增加,但当电解电压增加到某一值时,色度去除率趋于稳定。当电解电压为25 V时,电解时间-色度去除率曲线几乎重合于20 V时的曲线。可见当电压增加到20 V以后再增加电压并不能提高反应效率,反而增加了能耗,因此选择20 V为最佳反应电压。

2.3 电解时间的影响

配置1 000 mg/L的酸性大红3R染料废水,施加电压为20.0 V,考察在三维电极体系反应中,电解时间对色度去除率的影响,结果如图4。

由图4可见,随电解时间的延长,色度去除率呈上升趋势。因为多维电极处理时间越长,在电极表面反应的物质越多,同时系统中产生的氧化性物质H2O2和·OH自由基的量也随电解时间增长而增多,从而使被氧化分解的有机物的量增加。

从图4还可看出,在不同时段内,去除率随反应时间增加而增大的幅度不同。在电解过程的前80 min内染料的色度去除率均随时间的延长迅速增加,80 min以后变化逐渐趋于平缓,随着电解时间的延长,有机物的氧化反应受到阻碍,去除率的增加逐渐变缓;且电解历时越长其处理费用越显著增高,因此确定最佳电解时间均为2 h。

2.4 不同种类染料的处理效率

使用自制的三维电极-电Fenton反应器处理酸性大红3R染料废水取得了良好的效果, 然而酸性大红只是染料工业众多品种中的一类。除了酸性染料, 还有分散染料、阳离子染料、活性染料、碱性染料、直接染料等多种染料类型。实验选取碱性品绿、直接红棕RN、阳离子红H—4G、分散黄SE—RGFL、活性翠蓝BES五种具有不同生色基团和化学结构的代表性染料作为处理对象,以色度去除率为指标,考察了反应器对各种不同染料的处理效果(图5)。这么做的目的是探讨三维电极-电Fenton法是否对以上各类难降解染料的降解具有普遍适用性。

如图5所示,各种染料在反应的最终阶段均获得了很好的处理效率,其中碱性品绿的处理效率最低,但也达到了82.04%,而分散黄和直接红棕更是取得了96.15%和97.83%的高去除率,这表明本反应器对染料化合物确实有良好的降解效果。

3 结语

电解电压、电解时间、酸性大红原始浓度、

Fe2+浓度、极板间距等参数对酸性大红的色度去除率均有一定影响,在pH为3.0、Na2SO4质量浓度为20 g/L、外加FeSO4·7H2O的质量浓度为0.75 g/L,电解电压20 V、极板间距5 cm的条件下电解120 min,1 000 mg/L的酸性大红溶液其色度去除率可达到98.64%。试验在反应器处理酸性大红溶液的最优条件下处理了碱性品绿、直接红棕RN、阳离子红H—4G、分散黄SE—RGFL、活性翠蓝BES五种具有不同生色基团和化学结构的染料,均得到了较好的处理效果。

三维电极-电Fenton法降解有机物具有很高的去除率,进入废水的分子氧在阴极上发生反应,O2+2H++2e-=H2O2,生成的H2O2迅速与溶液存在的Fe2+反应,Fe2++H2O2=·OH+OH-+Fe3+,生成氧化性极强的·OH[3],与废水中的有机物反应, Fe3+可在阴极上被还原再生为Fe2+,Fe3++e-=Fe2+,形成一个循环,这样不但铁离子用量大大降低,而且污泥产生量大大减少。由于三维电极中有合适的粒子作为载体,大大提高了Fe3+在阴极上的传质率,使产生的Fe2+易于进行Fenton反应,这样便能使有机物的氧化效率得到很大提高。可见,三维电极-电Fenton法的处理过程是一个互激的正反馈过程,二者相互促进,降低了单独使用Fenton体系的费用,提高了单独使用三维电极电解的处理效率,非常适合处理难降解的有机废水。

参考文献

[1]戴日成,张统,郭茜,等.印染废水水质特征及处理技术综述[J].工业给排水,2000,26(10):33-37.

[2]石岩,王启山,岳琳,等.三维电极-电Fenton法去除垃圾渗滤液中有机物[J].北京化工大学学报,2008,35(6):84-88.

三维电极法篇5

1 试验部分

1.1 材料

试验水样取自黄金冶炼厂活性炭再生车间回用水。该废水经过传统的碱氯法破氰-硫化沉铜-颇尔膜过滤工艺处理后, 其主要水质指标见表1。

粒子电极采用柱状无烟煤活性炭, 使用前先进行预处理:将直径为3mm, 平均长度约为1cm的柱状无烟煤活性炭依次用自来水, 10%盐酸搅拌洗涤1h后, 用孔径为0.42mm的不锈钢筛进行筛分, 筛上活性炭装填入自制电解反应器阴阳极之间。

1.2 试验步骤及装置

采用自制三维固定床电极反应器, 极间距2mm, 有效电解槽体积4000L, 阳极为网状钛涂钌铱涂层电极, 阴极为网状不锈钢电极, 2片阳极板, 3片阴极板, 单板电极有效面积为140cm2。三维电解时, 无烟煤活性炭填充于阴阳极之间, 三个室活性炭总添加量固定为800g。室温下, 恒电流降解, 每隔1h取废水处理后液100m L, 检测COD、NH3-N, 每20min记录电压变化。本试验自行设计并制作的三维电极反应器, 装置示意见图1。

①直流电源;②反应器;③阳极;④阴极;⑤粒子电极;⑥流量计;⑦金鱼泵;⑧蠕动泵;⑨原水槽;⑩产水槽

2 试验结果与讨论

2.1 二维与三维电解对比试验

维持电流密度为105A/m2, 取颇尔膜滤后液4L, 进行添加 (三维) 与不添加 (二维) 粒子电极的电解对比试验, 试验结果见图2。

从图2可看出, 电流密度一定, 相同电解时间, 三维电解氨氮去除率高于二维电解。与此同时, 三维电解方水能耗也略有增加, 但增加幅度较小。若将此电流密度下方水电解能耗限定在12k W/h, 三维电解允许电解175min, 氨氮去除率达51.4%;二维电解则允许电解225min, 氨氮去除率仅37.8%。试验说明, 如果工业化应用, 三维电解不但可以提高氨氮去除率, 而且可以提高单位时、空处理量[3]。

2.2 电流密度对氨氮去除率及方水电解能耗的影响

在自制电解装置的阴阳极隔室内填充满无烟煤柱状活性炭, 活性炭总添加量为800g, 取颇尔膜滤后液4L, 分别维持电流密度为105A/m2和180A/m2进行电解。试验结果见图3。

由图3可知, 随电流密度增大, 电解速率加快, 但是能耗也上升, 且上升幅度较大。当电流密度为105A/m时, 电解300min, 氨氮去除率为75.32%, 方水电解能耗为17.25k W/h;当电流密度为180A/m2时, 电解180min, 氨氮去除率为70.51%, 方水电解能耗为22.96k W/h。工程化应用时, 可综合考虑处理量与能耗两者关系, 选择合适的电流密度[4]。

2.3 初始氨氮浓度对电解效果的影响

取颇尔膜滤后液4L, 加入一定量的硫酸铵, 搅拌30min后, 置入自制三维电解反应器, 维持电流密度为105A/m2和180A/m2电解2h后, 取样送检。试验结果见图4。

随氨氮浓度增加, 氨氮去除率先提高后下降, 说明三维电解较适用于中低浓度氨氮的去除。

2.4 初始p H值对氨氮去除率的影响条件

取颇尔膜滤后液4L, 维持电流密度180A/m2, 电解2h, 用100g/L的Na OH溶液调p H。初始p H值对氨氮去除率的影响结果见图5。

废水初始p H值越高, 氨氮去除率越高, 初始p H为11.5时, 电解2h, 氨氮去除率最高, 达99.72%, 尾液氨氮可降至2.15mg/L。分析原因可能是因为废水含氯, 碱性条件下活性氯比较稳定, 初始p H为11.5, 电解1h后, p H降至3.08, 电解2h, p H值回升至6.26。

3 结论

(1) 其他条件相同, 三维电解在能耗增加不大的前提下, 氨氮去除率大幅度提高, 引入三维电解可提高单位时、空处理量。

(2) 随电流密度增大, 电解速率加快, 但是能耗也上升, 且上升幅度较大。工程化应用时, 可综合考虑处理量与能耗两者关系, 选择合适的电流密度。

(3) 该三维电解较适用于中低浓度氨氮的去除。

(4) 废水初始p H值越高, 氨氮去除率越高。

参考文献

[1]曹志斌.三维电极反应器的设计与应用研究[D].南京:南京航空航天大学, 2009.

[2]张垒, 段爱民, 王丽娜, 等.流化床三维电极电催化氧化深度处理焦化废水[J].生态环境学报, 2012, 21 (2) :370-374.

[3]孙颖.二维与三维电解法处理含铜废水的试验研究[J].中国环境管理干部学院学报.2011, 21 (5) :63-66.

三维电极法篇6

1实验部分

1.1仪器与试剂

恒温水浴锅( 上海仪器仪表公司) 、电子万用炉 ( 北京光明医疗仪器厂) 、电极钛板( 沈阳长江钛设备厂) 、HS6150D型超声波清洗器( 天津市恒奥科技发展有限公司) 、磁力加热搅拌器( 常州国华电器有限公司) 、SX2-4—10型箱式电阻炉( 沪南电路烘箱厂) 、磷酸锂铁、乙酸纤维素( 国药集团化学试剂有限公司) 、TDGC2型交流接触式调压器、Unico7200型分光光度计( 上海尤尼克仪器有限公司) 、红外线快速干燥器( 上海跃进医疗器械厂) 、WYJ—6020型直流电源( 杭州苹果仪器仪表有限公司) 。

1.2实验方法

1.2.1三维电极的制备

对磷酸锂铁粉末进行涂层处理。

( 1) 称量5 g醋酸纤维素溶解在100 m L的丙酮中,将混合物用磁力搅拌器搅拌,直到纤维素乙酸酯完全溶解在丙酮溶液中[3],然后称取3 g磷酸锂铁粉末,投入到溶解完的丙酮溶液中,浸泡30 min,使醋酸纤维素膜均匀地涂在磷酸锂铁表面上。

( 2) 附着承载相。用两种方法对磷酸锂铁进行富集。一是通过蒸发丙酮溶液,取剩下的附着在烧杯底部的块状固体,通过碾碎,使其形成粒状的表面带白色光泽的磷酸锂铁颗粒。二是通过涂层的方式,把溶解完的溶液涂抹在纱网上,晾干,再重复涂抹,晾干,重复20次,最后得到表面带白色光泽的含磷酸锂铁的纱网,接着把纱网尽量剪碎,形成小正方形,注意不要太碎,防止粉末掉落。

1.2.2Ti/PbO2电极的制备

根据刘屹、刘淼等人[4,5]的方法制备Ti/Pb O2电极。

1.2.3试验方法

( 1) 取一定质量浓度的苯酚水样250 m L放入自制三维电解槽中,投入投入1 g Na2SO4作为电解质,调节电解电流恒定在0. 4 A,Ti/Pb O2作为阳极, 石墨作为阴极,极板间距为1 cm,投入小正方形纱网,用磁力搅拌器搅拌,每隔15 min取一次水样测定苯酚浓度。

( 2) 取一定质量浓度的苯酚水样250 m L放入自制的二维电解槽和三维电解槽中( 唯一不同是三维电解槽投加三维粒子电极) ,投入1 g Na2SO4作为电解质,调节电解电流恒定在0. 4 A,Ti/Pb O2作为阳极,石墨作为阴极,极板间距为1 cm,电解过程用磁力搅拌器搅拌,每隔15 min取含酚水样进行测样对比分析。

1.2.4测定方法

用4-氨基安替比林直接分光光度光法[6]测定苯酚浓度。

2结果和讨论

2.1磷酸锂铁对含酚废水的吸附特性研究

如图1所示,可以认为磷酸锂铁自身对苯酚没有吸附能力。

2.2二维电极与磷酸锂铁颗粒状三维电极对实际含酚废水的对比分析

如图2所示,在1 h内,颗粒状磷酸锂铁三维电极处理苯酚的效率比二维电极的高,处理效率是慢慢增大,相差最大的时候发生在1 h,但是处理效率增大的不明显,1 h以后,颗粒状三维电极的处理效率开始下降,慢慢不如二维电极的处理效率,这是因为颗粒状的磷酸锂铁三维电极在磁力搅拌器的搅拌下慢慢分解,又变成了粉末状,处理的效率有所下降。

2.3二维电极与磷酸锂铁纱网状三维电极对实际含酚废水的对比分析

如图3所示,随着时间变化,二维电极与三维电极的苯酚去除率都在增加,三维电极比二维电极增加明显,在75 min内,三维电极的去除率平均比二维电极高出10个百分数以上,处理效果优于二维电极。

3结论

( 1) 磷酸锂铁经过涂层处理,能稳定附着在纱网上,在相同的条件下,磷酸锂铁三维电极法对苯酚的去除率比二维电极法对苯酚的去除率高出10% 以上。

( 2) 通过表征性实验证明,磷酸锂铁三维电极法处理效果都比传统二维电极法效果显著。粒子电极在其中主要起到了缩短传质距离,增大电极面积的作用,这是提高苯酚去除率的重要途径。

三维电极法篇7

1 实验部分

1.1 实验装置

试验采用自制静态三维电极反应器,采用500mL玻璃烧杯作为反应器槽体,阳极和阴极与电化学工作站相连接,两主电极间填充经过特殊处理的活性炭粒子和绝缘粒子,置于烧杯中。试验装置下部放置磁力搅拌器,使槽内溶液混匀。试验装置如图1所示。

1.2 实验水样

试验水样取自某厂提供的HNS生产废水,废水呈黑红色且含有Cl-,成分复杂,可生化性差,主要指标见表1。

1.3 实验试剂与仪器

实验试剂:无水硫酸钠、浓硫酸、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、亚硝酸钠、活性炭(颗粒状),以上试剂均为分析纯。

实验仪器:阳极为RuO2-IrO2-TiO2/Ti,阴极为没有涂层的纯钛板,每个极板的规格均为长×宽×厚=50mm×50mm×1mm,丝杆长为200mm;控温磁力搅拌器;电化学工作站(调幅为0~10v);电炉;电热恒温干燥箱;具塞比色管;烧杯;COD测定装置及其他玻璃仪器若干。

1.4 检测方法

色度的测定采用稀释倍数法(GB11903-89);

COD的测定采用重铬酸钾法(GB11914-89)。

2 实验内容

2.1 实验方法

实验采用500mL的实验烧杯作为电解槽,以RuO2-IrO2-TiO2/Ti极板为阳极,钛板为阴极,使用无水硫酸钠作为支持电解质,活性炭颗粒为填充粒子和玻璃珠颗粒为绝缘粒子,取活性炭颗粒和玻璃珠二者不同的质量比作为填充粒子比。将稀释好的HNS生产废水加入烧杯中进行电化学反应,采用正交试验,以废水脱色率主要评价指标,考察填充粒子比、电极板间距、电解质质量、废水的初始浓度等因素对色度脱除效果的影响。

2.2 活性炭预处理

将活性炭浸泡在HNS生产废水中,其浓度与待处理废水浓度相同,使其充分解吸,隔一定时间测定浸泡前后HNS生产废水浓度,除去滤液,重新加入同浓度的废水,直至浸泡前后HNS生产废水浓度基本相同为止。

2.3 正交试验

为保证电化学工作站的正常工作,因此实验采用恒压源8V,电解4h,六硝基茋生产废水脱色实验选取极板间距、填充粒子比、支持电解质和初始浓度4个因素进行4因素3水平正交试验,正交实验表见表2。

3 结果与分析

3.1 HNS生产废水电解后的色度变化

HNS生产废水电解前后色度的测定结果见表3。

3.2 正交试验的因素显著性分析

由表4可知,对于极板间距因素k1>k2>k3,对于初始浓度因素k1>k2>k3,对于填充粒子比因素k3>k1>k2,对于支持电解质因素k3>k2>k1。根据极差R的大小可知,处理脱色效果影响因素的影响程度由高到低依次为极板间距因素、初始浓度因素、支持电解质因素、填充粒子比因素,最优工艺参数为极板间距0.5cm、初始浓度12480 mg·L-1、填充粒子比1:3、支持电解质0.2g。

在六硝基茋生产废水脱色实验过程中,其颜色随着反应的进行逐渐从深棕色变为透明的浅棕色,如图2所示。

随着槽电压的增加,电压梯度升高,被极化的活性炭颗粒增多,有效电极面积扩大,并且直接增加了废水中带电粒子运动的推动力,导致了废水中(·OH)浓度升高,从而有效提高脱色率。但随着电压的进一步升高,能耗也增大。综合考虑经济因素及电化学工作站寿命使用情况,选择最佳外加电压8V。

在一定时间范围内,电极间距越小,电极间作用力越强,脱色率越高。这是因为电极间距减少,就相应缩短了对流、扩散传质的距离,增大了传质的浓度梯度,强化了传质效果,有效提高脱色率。但当电极间距过短时,容易发生短路而影响脱色效果。

活性炭具有强的吸附能力,但实验前已经对其进行饱和吸附的预处理。在外电压的作用下,在废水中形成许多微原电池,有利于电化学方法生成更多的强氧化剂及活性物质,如氧化电位高达2.80 V的羟基自由基(·OH)或是与废水中许多组分发生氧化还原作用的[H],而使废水中的有机分子链断裂、氧化,破坏废水中的发色或助色团,有效提高脱色率。

HNS生产废水浓度越大,废水溶液中含盐量越高,脱色率越高。这是因为HNS的合成工艺会产生大量盐类电解质,增加了溶液导电性,提高了电流效率,能够以较低的电流密度提供较大的电流强度,加快体系反应速率,有效提高脱色率。但当废水浓度过大时,易发生极板击穿而影响脱色效果,甚至导致电化学工作站未能正常工作。由此亦可证明支持电解质影响因素对处理脱色效果的影响程度相对较低。

4 结论

采用RuO2-IrO2-TiO2/Ti为阳极的三维电极处理HNS生产废水,经过正交试验电解4h,HNS生产废水色度的去除率达到99%,同时COD去除率亦达到27%。实验证明用三维电极脱色处理HNS生产废水是可行的,有着良好的应用前景。

参考文献

[1]王敏,柴涛,林凡聪,刘瑞娟,郭嘉昒.六硝基茋生产废水的微生物脱色实验研究[J].火工品,2010,(6):46-49.

[2]赵军霞,柴涛,赵双喜,林亮亮.超临界水氧化六硝基茋废水及其对反应釜腐蚀研究[J].水处理技术,2010,36(12):50-54.

[3]王建华,刘玉存,刘登程,等.HNS的临界厚度测试研究[J].含能材料,2008,16(2):146-148.

[4]张成光,缪娟,符德学,等.电化学技术降解有机废水研究进展[J].应用化工,2006,35(9):791-798.

[5]郑曦,陈日耀,陈晓,等.电化学法生成Fenton试剂及其在工业废水降解脱色中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2001,2(4):72-76.

[6]Marco P.Electrochemical treatment of wastewater contai-ning polyaromatic organic pollutants[J].Wat Rec,2000,34(9):2601-2605.

[7]孙秀丽,凤颀,张宏林.复极性三维电极处理硝基苯废水中各影响因子分析.辽宁化工,2006,35(3):265-269.

[8]G.Saracco,L.Solarino et al.Electrochemic Oxidation of Organic Pollutant at low Electrolyte Concentration.Electrochemical Acta,2000,(46):373-380.

三维电极法篇8

电阻抗断层扫描成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是现今科学界的热门研究课题之一,具有非侵入式测量、无损成像、结构简单、操作方便、可重复使用等突出特点。它的基本原理是利用由于不同物体或不同组织在不同条件下具有不同阻抗的特性,通过向物体施加电流来测量物体表面的电压数据,然后通过一定的图像重建算法最终得到物体内部的阻抗图像信息[1,2,3]。

电极是EIT系统中的关键部分,是敏感单元,因此,其分布的合理性直接影响到后期的数据分析和图像重建。胡理[4]对电阻成像和电容成像的三维电极分布进行了类似的研究,虽未涉及三维EIT的电极分布,但是却提供了研究思路。本文是在前期对三维EIT系统中的电极占空比、电极形状及电极的激励测量模式进行了探究的基础上,进一步深入研究电极在物场边界的分布对成像质量的影响[5]。

1材料与方法

本文提出6种不同电极分布的模型。构建圆柱体模型, 直径为0.12 m,高度为0.24 m,背景电导率0.4 S/m ;设计2层电极,每层16个电极,分别位于距底面0.08和0.16 m位置,电极半径为0.0025 m,电极厚度0.003 m,电极材料为钛 ;两个成像目标直径为0.02 m,等距位于圆心28 mm位置且成对角分布,电导率分别为0.004、40 S/m,激励电流密度为5 A/m2。

本文提出6种电极分布模型 :1标准分布 :每层的16个电极均匀分布于同一水平面,上下两层电极相对于0.12 m高度的圆柱体横截面对称,是最为常见的电极布置方式, 见图1(a) ;2 W分布 :上层16个电极均匀分布于同一水平面,下层16个电极同步错开上层电极间距的1/2,见图1(b) ;3双层小波纹分布 :每层16个电极等间隔均匀分布,奇数号电极所在水平面为基准面,偶数号电极水平面下降0.0025 m,上下2层电极均如此分布,见图1(c) ;4双层大波纹分布 :与第3种分布类似,但两层电极的层间距增大,偶数号电极水平面下降0.02 m,见图1(d) ;5单层小波纹分布 :与双层小波纹分布类似,仅上层的偶数号电极水平面下降0.0025 m,下层电极全部处于同一水平面, 见图1(e) ;6单层大波纹分布 :与双层大波纹分布类似, 上层的16个电极均匀分布,以奇数号电极所在水平面为基准面,偶数号电极水平面下降0.02 m,下层电极全部保持处于同一水平面,见图1(f)。

2结果

2.1边界测量电压分布对比

本文选择非同层准对角激励模式[6],即2个激励电极分别取自上下两层电极平面,且只相差一个电极就成为非同层相对模式。在此模式下,激励16次,每次28个数据, 共448个数据。经COMSOL软件建立模型后,由MATLAB求解逆问题,获得灵敏度矩阵、空满场参考电势等数据, 其空场边界测量电压的分布曲线,见图2。

标准分布与W分布下,边界测量电压曲线光滑、连续, 说明场内电流密度分布均匀 ;双层小波纹和双层大波纹分布模式下,激励电极临近的测量曲线有一定的波动,说明场内激励电极附近的电流密度分布不均匀 ;双层大波纹分布的边界电压曲线出现明显的大幅的波动,因此电流场均匀性明显下降。由此可以初步得到标准分布与W分布模式相对要好一些。

2.2评价指标对比

根据相关系数(Correlation Coefficient,CC)和相对误差(Relative Error,RE)两项指标对仿真数据进行进一步客观评价。

在EIT成像中,CC以如下公式给出 :

其中,为相关系数,为电导率的真实值,为电导率的设定值,与分别为真实值的平均值和设定值的平均值。由此可见,相关系数越大,图像质量越好。

RE为真实值和设定值的差与设定值的比,定义如下 :

其中,为相对误差,为真实值,为设定值,该值越小说明图像质量越好。

共轭梯度算法的成像效果与迭代次数有关,因此取迭代次数分别为100、200、300时求得相关系数和最大相对误差的成像数据,见表1。

不同迭代次数下两种评价指标的折线图,见图2。标准分布、W分布和单层小波纹分布的相关系数相对较大 ; W分布的三种迭代次数中相对误差均比其他五种分布情况要小,可预知W分布的成像效果较好。

2.3成像结果

6种三维电极分布模型的重建图像,见表2。每个模型自下而上均匀间隔取5层截面成像,迭代次数为100。

W分布与标准分布的总体成像效果较好,可以较清晰地显示场域内目标物的信息。其他模式下的成像效果较差,目标物模糊或成像伪影严重。从每层成像效果看,下3层图像相对清晰可反映出场域内实际物体分布情况,双层大波纹分布与单层大波纹分布在每层的成像结果均不理想。

3讨论