超声强化三维电极电Fenton处理孔雀石绿印染废水吴娜娜

印染废水是难处理的工业废水之一，具有水量大、有机污染物含量高、成份复杂、色度高、碱性大、水质变化大等特点。印染废水的处理方法有生物处理法、物理处理法和化学处理法[1-3]。目前，有研究证明三维电极/电-Fenton法处理印染废水有较好的处理效果，其原理为在电极的作用下，溶液中的Fe2+和H2O2以一定速率持续产生，两者反应产生强氧化剂羟基自由基（·OH），利用·OH的强氧化能力去除难降解有机物[4]。超声作为一种新型的，清洁、高效的污水处理方法，被应用于去除各类污染物[5-6]。采用超声电解法降解有机废水，超声波产生的强化传质效应可以强化反应物从液相主体向电极表面的传质过程[7]，从而消除因传质扩散产生的浓差极化。在反应中，超声空化可产生瞬时的高温高压，这种效果能够活化电极表面和反应物，从而加快反应速率，消除电化学极化现象[8-9]。超声波的强化传质、清洗电极、增强羟基自由基生成的作用使其与三维电极/电-Fenton法的联用成为可能。目前，超声方法与其他污水处理技术联用处理印染废水的研究报道较少，因此，本实验在三维电极/电-Fenton法的基础上加入超声，以孔雀石绿为研究对象，研究超声强化三维电极/电-Fenton法对印染废水的处理效果，并探究体系中反应时间、pH、电解质Na2SO4浓度、电压、极板间距、曝气强度等因素对处理效果的影响，同时进行正交实验并验证。1实验部分1.1实验用水采用模拟印染废水，由孔雀石绿与去离子水按照一定比例混合，COD为500～600mg/L，色度为500～600倍，避光稳定24h后进行实验。实验所用的主要试剂：过氧化氢（H2O2）、无水硫酸钠（Na2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、硫酸银（Ag-SO4）、邻苯二甲酸氢钾（C8H5KO4）、钼酸铵，为分析纯；重铬酸钾（K2Cr2O7）、浓硫酸（H2SO4），为优级纯。1.2取2000mL孔雀石绿废水于2000mL烧杯－吴娜娜1，钱虹1，郑璐1，李亚峰1，王宇思2（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，110168；2.中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司，110179：辽宁沈阳）/-Fenton。/-Fenton、pH、、、、。COD/-Fenton/-FentonCOD21%9.67%120minpH3、Na2SO45g/L、14V、9cm、0.8L/minCOD85.42%99.85%。＞pH＞＞＞。-FentonX791A1000-3770(2018)04-0116-006收稿日期：2017-06-14基金项目：辽宁省博士科研启动基金项目（201501070）；辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2015451）；沈阳建筑大学学科涵育项目（XKHY2-53）；沈阳建筑大学科学研究项目（2017023）作者简介：吴娜娜（1985－），女，博士，讲师，研究方向为水污染控制理论与技术；电子邮件：[e-mail]第44卷第4期2018年4月Vol.44No.4Apr.,2018DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2018.04.0251161CODFig.1EffectofultrasonictreatmentonremovalefficiencyofwastewaterwithdifferentCOD0204060801001200100200300400500600700COD/(mg
L)min2CODFig.2CODandchromaremovaleffectsofdyeingwastewaterindifferentreactors020406080100120140020406080100
%min中，控制进水色度不变，将烧杯置于超声波清洗槽内，超声波清洗器的型号为KQ-100E，超声功率为100W，超声清洗器的容量为300mm×150mm×100mm（4L），超声工作频率为40Hz。每隔一段时间取样测定COD并在400～700nm的波长范围内用紫外可见分光光度计扫描光谱的变化，研究单独超声处理对废水COD的去除效果并检测物质的变化。1.3/-Fenton三维电极/电-Fenton体系反应装置由反应器（2000mL烧杯）、阳极（铁板电极）、阴极（石墨板电极）、第三粒子电极（质量比为3:1的活性炭柱与纳米铁粒子）、直流稳压电源、电动搅拌机、空气压缩机和电压表组成。其中电极板尺寸为：20cm×6cm×0.3cm，活性炭柱粒径为3mm，纳米铁粒子粒度为200～300目。取2000mL的孔雀石绿印染废水放入反应装置内，用浓度为1mol/L的硫酸和氢氧化钠调节废水pH，加入一定量的粒子电极和Na2SO4电解质，用空气压缩机向反应器内通入一定速率的空气，调节直流稳压电源使反应在一定电压下进行。每隔一段时间取样测定COD和色度，研究三维电极/电-Fenton对孔雀石绿印染废水的处理效果。1.4/-Fenton将三维电极/电-Fenton装置置于超声波清洗槽内，分析超声强化三维电极/电-Fenton对孔雀石绿印染废水COD和色度的处理效果，并分别改变实验的不同反应因素，研究反应时间、pH、电解质Na2SO4浓度、电解电压、极板间距和曝气强度等因素对处理效果的影响。1.5pH采用330f型便携式pH计测定；孔雀石绿的最大吸收波长采用UV-9100型紫外可见分光光度计测定；色度采用稀释倍数法分析测定；COD采用快速密闭催化消解法测定。2结果与讨论2.1在室温的条件下，控制孔雀石绿废水的进水色度不变，调节溶液初始pH为4，将不同COD的印染废水置于超声波清洗槽内，超声处理时间为120min，研究单独超声处理对不同COD孔雀石绿废水的处理效果，结果如图1所示。实验结果表明，单独超声处理方法对不同COD的去除率均不明显，当废水初始COD小于100mg/L时，对COD有所去除。然而，当COD大于100mg/L时，超声处理后COD不断浮动，并且出现了上升的现象。当初始COD为621.9mg/L时，经120min的超声处理后，COD上升了3.02%。同时，实验过程中发现，废水色度在处理前后没有明显变化。2.2/-Fenton在反应时间为120min，pH=3，电解质Na2SO4投加浓度为5g/L，电压为14V，极板间距为9cm，曝气强度为0.8L/min的条件下，分别采用三维电极/电-Fenton反应器与超声强化三维电极/电-Fenton反应器对孔雀石绿印染废水进行处理，对比印染废水在不同反应器中COD和色度的去除效果，结果如图2所示。由图2可知，经过120min的降解，孔雀石绿印染废水在三维电极/电-Fenton反应器中COD和色度去除率分别达到了61.34%和88.45%；超声强化三维电极/电-Fenton反应器中印染废水COD和色度的去除率分别达到了82.34%和98.12%。在相同的反应条件下，COD和色度去除率较前者分别提升了21%和9.67%。说明在三维电极/电-Fenton的基吴娜娜等，超声强化三维电极/电－Fenton处理孔雀石绿印染废水117础上进行超声处理，所构成的超声强化三维电极/电-Fenton体系显著提高了对孔雀石绿印染废水的处理效果。2.3/-Fenton2.3.1调节实验的运行参数为：pH=3，电解质Na2SO4投加浓度为4g/L，电压为18V，极板间距为9cm，曝气强度为1.0L/min，研究反应时间对COD和色度去除率的影响，结果如图3所示。在反应刚开始时，系统中有机物浓度较高，反应物与电极接触充分，同时，超声波能够加速反应或开启新的反应通道，从而提高反应速率，同时超声空化作用能够产生自由基等活性物质与污染物发生氧化反应[9]。随着反应时间的延长，反应器内的电-Fenton继续进行，·OH和H2O2仍然有一定程度的积累，因此COD和色度去除率继续增大，但印染废水的降解速率趋于平缓。在第三阶段，有机物浓度逐渐降低，此时析氢、析氧的副反应加剧，延长反应时间只能增大能耗和成本，对印染废水的处理效果贡献不再明显，因此，本实验的反应时间控制在90min。2.3.2pH调节实验的运行参数为：反应时间90min，电解质Na2SO4投加浓度为4g/L，电压为18V，极板间距为9cm，曝气强度为1.0L/min，分别调节pH为2、3、4、5、6、7，研究pH对COD和色度去除率的影响，结果见表1。由表1可知，随着pH的增大孔雀石绿印染废水COD和色度去除率呈现先增加后下降的趋势，当pH=3时，印染废水去除效果最好，COD和色度去除率分别达到了81.02%和98.37%。由此可判断酸性条件更有利于印染废水中有机物的氧化降解。分析原因可能是溶液的酸碱度可以直接影响极板及三维电极表面·OH的产生，在pH=3的酸性条件下，溶液中能够产生更多的·OH，增强孔雀石绿废水的处理效果。该研究与KURT[10]等人的研究结果一致。Fenton反应的最佳pH为2～4左右，在较低的pH下，呈现酸性的反应液能够提供质子，与氧气发生反应，若pH过低，则会导致析氢副反应的发生，此时H2O2还有可能同H+结合发生反应而失去活性。2.3.3调节实验的运行参数为：反应时间90min，pH=3，电压为18V，极板间距为9cm，曝气强度为1.0L/min，控制电解质Na2SO4的投加浓度分别为0、2、4、6、8g/L，研究电解质浓度对COD和色度去除率的影响，实验结果见表2。由表2可知，随着电解质浓度的不断增加，COD和色度的去除率呈现先增加后减少的趋势，当电解质浓度为4g/L时，印染废水的处理效果最好，1pHCODTab.1EffectofpHonCODandchromaremovalefficiencypH234567571.24585.52585.52533.14533.14509.33183.6111.13124.48155.2178.28206.7467.8681.0278.7470.8966.5659.41558.95534.07588.95568.95541.51544.0730.138.716.7319.2325.7237.2694.6198.3797.1696.6295.2593.15进水/(mg·L-1)出水/(mg·L-1)色度进水/倍出水/倍去除率/%COD去除率/%2CODTab.2EffectofelectrolyteconcentrationonCODandchromaremovalefficiency投加浓度/(g·L-1)02579533.14576590.29518.86523.62291.47188.52112.04129.92162.85536.4568.95531.51544.07556.483.6431.528.6613.8219.0984.4194.4698.3797.4696.57进水/(mg·L-1)出水/(mg·L-1)色度进水/倍出水/倍去除率/%COD去除率/%45.3367.2781.0274.9668.90204060801001200100200300400500600
/minCOD/(mgL)020406080100/%图3（a）COD3CODFig.3EffectofreactiontimeonCODandchromaremovalefficiency0204060801001200100200300400500600
/min020406080100 /%图3（b）第44卷第4期118COD和色度的去除率分别为81.02%和98.37%，在实验过程中，当电解质投加量小于一定范围时，随着电解质浓度的升高，溶液的传质效率不断增强，处理效果越好；然而，电解质投加量过高，会造成能耗的增加和副