活性炭固定床电解槽处理苯酚废水
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摘要：对采用新型节能活性炭固定床电解槽处理苯酚废水的研究结果表明，NaCl投加量为9～20g/L时对酚的去除影响最大，最佳投加量为20g/L；槽电压升高会使酚去除率增加，但单位功率去除率明显减小；出水酚浓度与电解时间呈负指数关系，随电解时间增加而降低；酚降解速率与酚浓度呈一级反应关系;在酚去除率相同的条件下，活性炭固定床电解槽可比普通电解槽节省电耗30％～40％。
关键词：苯酚废水 活性炭固定床 电解槽
新型节能活性炭固定床电解槽，即在电解槽内装填导电性能良好的活性炭作阳极。因其比表面积巨大而具有很强的吸附能力，大量污染物聚集在活性炭内表面而被阳极氧化性产物氧化为无害物质，且强大的吸附能力大大提高了氧化性产物的利用效果，故可显著降低能耗。?
1 试验
1.1 设备与材料
活性炭固定床电解槽如图1所示。
电极均采用石墨板，尺寸为12cm×5cm，极距为5cm；槽内活性炭填充高度为12cm、质量为120g；阴极与活性炭间用尼龙网隔开。
活性炭为QJ20型，粒度为8～14目，使用前需在清水中煮沸排除气泡。
电解液由分析纯苯酚、NaCl和自来水配制。
万用电表为MF30型。
电流表为C46-A型。
流量计为LZB15型转子流量计。
1.2 试验流程
试验流程如图2所示。蓄水箱中的溶液被泵提升后经流量计、热交换器进入电解槽进行电解，电解后的溶液再流回蓄水槽进行循环连续电解。
1.3 试验条件
① 苯酚浓度：生物法处理含酚废水要求酚浓度≤500mg/L,而酚回收工艺要求 酚浓度≥1000mg/L,对500～1000mg/L酚浓度的废水一般采用电解法或其他氧化方法处理[1、2]，故试验将废水中苯酚浓度定为500mg/L(溴化滴定法测定)。
② 温度：试验温度控制在(25±0.2)℃。
③ pH值：废水pH值控制在中性范围，为保证试验结果的可比性，须控制pH=7.8。每次试验配制电解液10L，流量Q保持50L/h。
1.4 确定工作点
在苯酚初始浓度C0=500mg/L、电解时间t=18min、槽电压V=10V、[NaCl]=20g/L的条件下进行试验，得到图3所示的苯酚去除率E与电解槽运行周期数N的关系。?
图3表明在运行周期数较小时苯酚去除率较高，随着运行周期数的增加去除率逐渐降低，最终稳定。这是因为在运行初始除电解氧化外还有活性炭吸附作用，随着运行周期数的增加，活性炭逐渐达到吸附饱和，最终只有电解氧化在起作用，因而稳定值才反映了电解氧化作用的效能，是其真正工作点。
2 结果与分析
2.1 NaCl投加量对酚去除的影响
质量浓度为500mg/L的苯酚废水，在槽电压为10V、电解时间为18min条件下的试验结果见图4。
根据图4求得dE/d[NaCl]与[NaCl]的关系表明：[NaCl]＜6g/L时dE/d[NaCl ]很小，NaCl投加量对酚去除无明显作用；[NaCl]为6～9g/L时，随[NaCl]的增加dE/d[NaCl]迅速增大，表明NaCl浓度变化对酚去除的影响逐渐增强；[NaCl]为9～20g/ L时dE/d[NaCl]达到最大值，表明此时对酚去除的影响最大；[NaCl]＞20g/L时，随[NaCl]的增加dE/d[NaCl]迅速减小，表明对酚去除的影响越来越小；[NaCl]＞30g/L时，dE/d[NaCl]已经降到很小，NaCl投加量的变化对酚去除不再产生影响。NaCl浓度对酚去除的影响可以解释为：[NaCl]＜6g/L时，投加NaCl的作用主要为提高溶液的电导率、减小电解槽内阻，而Cl-的放电产物Cl2对酚的氧化作用很微小；[NaCl]为6～9g/L时，NaCl浓度的增加一方面降低了槽内阻，另一方面使Cl-的放电能力增强、Cl2的生成速度加快，则对酚的氧化作用逐渐增强；[NaCl]为9～20g/L时对Cl-的放电速率影响最大，NaCl的作用主要表现在Cl- 放电生成的Cl2氧化分解废水中的酚；[NaCl]＞20g/L时，随着NaCl浓度的升高Cl-活度系数减少，[NaCl]的变化对Cl-放电速率的影响逐渐减少，另外生成的氯利用率较低，有一部分逸出到空气中，故造成NaCl浓度的变化对酚氧化速率的影响逐渐减弱；[NaCl]＞30g/L时，Cl2活度系数的减少和逸出两种作用均很强，致使NaCl投加量变化几乎不影响酚的去除。
试验结果还表明，NaCl投加量在20g/L左右是经济有效的。?
2.2 槽电压V对酚去除的影响
质量浓度为500 mg/L的苯酚废水，在NaCl浓度为12g/L、电解时间为18min的条件下进行试验，结果如图5、6所示。
图5的回归方程为E=0.14+0.025V，r=0.997。?
图6的回归方程为I=-0.31+0.1135V，r=0.995。则单位功率去除率(E/IV)为：
E／IV=0.14+0.025V／-0.31V+0.1135V2
(1)?
由试验可知，随着槽电压的降低单位功率去除率增大，因此在保证一定电流密度的前提下，应尽量降低槽电压以保持较大的单位功率去除率。另外提高槽电压可提高苯酚去除率，但去除酚所需的能量也相应提高。
2.3 电解时间对酚去除的影响
对初始浓度为500mg/L的苯酚废水，在槽电压为10V、NaCl浓度为12g/L的条件下进行电解时间t对酚去除的影响试验，结果如图7所示。?
由图7所得回归方程为：lg(C/C0)=-0.004 2-0.0124t,r=0.999，则可得到出水酚浓度C及酚降解速率(-dC/dt)的表达式：?
?
C=C0×10-0.0124t?
(2)?
-dC／dt=0.0286C
(3)
由式(2)、(3)可知，出水酚浓度与电解时间呈负指数关系，随电解时间增加而逐渐降低；酚降解速率与酚浓度呈一级反应关系，即随电解时间的增加逐渐减小。
2.4 与普通电解槽电耗比较
普通电解槽采用与活性炭固定床电解槽相同的电极材料、极板尺寸和极距，经试验得到苯酚去除率与槽电压关系、平均电流与槽电压关系。
回归方程分别为：E=0.16+0.026V，r=0.988;I=-0.63+0.218V，r=1。
据电解槽电耗W=IVt可得活性炭固定床电解槽电耗W1与酚去除率的关系为：
?
W1=(5.30-63.2 E+181.6E2)t
(4)?
普通电解槽电耗W2与酚去除率的关系为：
? W2=(12.16-127.52 E+322.46E2)t
(5)?
则：W1/W2=[5.30-63.2E+181.6E2]/[12.16-127.52E+322.46E2] (6)?
即在本试验条件下达到同样的酚去除率时，活性炭固定床电解槽可比普通电解槽节能30%～40%，且节能率随酚去除率增大而增大。
3 结论
① NaCl投加量在9～20g/L之间对酚的去除影响最大，最佳投加量20g/L左右。
② 随槽电压的升高酚去除率增大，但单位功率去除率明显减小。
③ 出水酚浓度与电解时间呈负指数关系，随电解时间延长而降低，酚降解速率与酚浓度呈一级反应关系。
④ 在酚去除率相同的条件下，活性炭固定床电解槽可比普通电解槽节省电耗30%～40%。
参考文献：
[1]汪大.工业废水中专项污染物处理手册[M].北京:化学工业出版社,2000.
[2]张芳西.含酚废水的处理与利用[M].北京:化学工业出版社,1983.