掺硼金刚石膜电极电解染料废水的研究.pdf

第4 0卷第4期2 0 2 3年8月河 北 省 科 学 院 学 报J o u r n a l o f t h e H e b e i A c a d e m y o f S c i e n c e sV o l.4 0 N o.4A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 7基金项目:河北省科学院高层次人才培养与资助项目(2 0 2 3 G 2 2)作者简介:张雅淋(1 9 9 2),女,河北石家庄人,硕士,研究实习员,主要研究方向为材料分析与检测.文章编号:1 0 0 1-9 3 8 3(2 0 2 3)0 4-0 0 5 5-0 8掺硼金刚石膜电极电解染料废水的研究张雅淋2,3,王朝阳2,3,葛新岗1,2,3,唐伟忠2,3,孙振路1,2,3,姜 龙1,2,3,李义锋1,2,3(1.河北省激光研究所有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1;2.河北普莱斯曼金刚石科技有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1;3.河北省化学气相沉积金刚石重点实验室,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1)摘 要:掺硼金刚石膜电极在电化学方面具有很大的优势,常被应用于有机废水的处理领域。本文用掺硼金刚石膜电极作为阳极来电解处理酸性红染料水溶液,观察溶液颜色变化并测试溶液C O D值,确认了掺硼金刚石膜电极电解处理有机物废水方案具有可行性。提高电极电流密度、降低电解液流速都能够显著提高电极的C O D处理能力,增加C O D去除率,降低C O D处理能耗。对于低浓度的染料溶液(初始C O D值4 0 0 m g/L左右),选取电解液流速4 0 0 m L/m i n,电极电流密度6 0 mA/c m2,掺硼金刚石膜电极可以在34 h内将染料溶液电解至无色,C O D去除率能够达到9 0%以上。关键词:掺硼金刚石膜电极;酸性红;电解;C O D中图分类号:X 7 0 3 文献标识码:AS t u d y o n e l e c t r o l y s i s o f d y e w a s t e w a t e r b y b o r o n-d o p e d d i a m o n d f i l m e l e c t r o d eZ H A N G Y a l i n2,3,WA N G Z h a o y a n g2,3,G E X i n g a n g1,2,3,T A N G W e i z h o n g2,3,S U N Z h e n l u1,2,3,J I A N G L o n g1,2,3,L I Y i f e n g1,2,3(1.H e b e i I n s t i t u t e o f L a s e r C o.,L t d.,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a;2.H e b e i P l a s m a D i a m o n d T e c h n o l o g y C o.,L t d.,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a;3.H e b e i K e y L a b o r a t o r y o f C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n D i a m o n d,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:B o r o n-d o p e d d i a m o n d e l e c t r o d e h a s g r e a t a d v a n t a g e s i n e l e c t r o c h e m i s t r y a n d i s o f t e n u s e d i n t h e f i e l d o f o r g a n i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t.I n t h i s p a p e r,b o r o n-d o p e d d i a m o n d f i l m e l e c t r o d e i s u s e d a s a n o d e t o t r e a t a c i d r e d d y e a q u e o u s s o l u t i o n b y e l e c t r o l y s i s.T h e c o l o r c h a n g e o f t h e s o l u t i o n a n d t h e C O D v a l u e a r e o b s e r v e d t o c o n f i r m t h e f e a s i b i l i t y o f u s i n g b o r o n-d o p e d d i a m o n d f i l m e l e c t r o d e s f o r t h e e l e c t r o l y t i c t r e a t m e n t o f o r g a n i c w a s t e w a t e r.I n c r e a s i n g t h e e l e c t r o d e c u r r e n t d e n s i t y a n d r e d u c i n g t h e e l e c t r o l y t e f l o w r a t e c a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e C O D t r e a t m e n t c a p a c i t y o f t h e e l e c t r o d e,i n c r e a s e t h e C O D r e m o v a l r a t e a n d r e d u c e t h e C O D t r e a t m e n t e n e r g y c o n s u m p t i o n.T h e i n i t i a l C O D v a l u e o f t h e l o w c o n c e n t r a t i o n d y e 河北省科学院学报2 0 2 3年第4 0卷s o l u t i o n i s a b o u t 4 0 0 m g/L,t h e e l e c t r o l y t e f l o w r a t e i s 4 0 0 m L/m i n a n d t h e e l e c t r o d e c u r r e n t d e n s i t y i s 6 0 mA/c m2.T h e b o r o n-d o p e d d i a m o n d f i l m e l e c t r o d e c a n d e g r a d e t h e d y e s o l u t i o n t o c o l o r l e s s w i t h i n 3 h o u r s t o 4 h o u r s,a n d t h e C O D r e m o v a l r a t e c a n r e a c h m o r e t h a n 9 0%.K e y w o r d s:B o r o n-d o p e d d i a m o n d f i l m e l e c t r o d e;A c i d r e d;E l e c t r o l y s i s;C O D0 引言水环境问题是我国发展面临的重要挑战和重大需求,特别是难以生物降解的工业有机废水的处理与排放问题受到越来越多的关注。大力发展高效低耗、无二次污染的废水处理工艺与技术,对于环境保护、产业发展具有重大价值和现实意义。电化学氧化处理难降解有机废水是高级氧化技术中的一个研究热点,近年来电化学工艺的不断进步以及新的电极材料和电极结构的出现,为电化学方法治理污染提供了更新、更有效的解决手段。掺硼金刚石膜电极具有电化学势窗宽、背景电流小、介电常数低、可逆性好,空穴迁移率高等特点。因其电化学方面的优点,掺硼金刚石膜电极常被应用于有机废水的处理领域,尤其是传统的生化法、化学法、物理法难以降解的有毒有害,抗生素类有机物的处理方面。掺硼金刚石电极作为阳极时可以对污水中的难降解性有机物进行去除,作为阴极时,可以处理含重金属离子废水、还原硝酸盐和亚硝酸盐等污水成分。电化学氧化处理难降解有机废水是目前的研究热点之一,掺硼金刚石膜则是优质的电极材料。俞杰飞等人1通过测试新型掺硼金刚石薄膜电极的电化学性质,发现掺硼金刚石薄膜电极具有较高的析氢析氧过电位,能够有效地抑制析氧副反应,具有较高的催化氧化效率。邹佳秀2使用掺硼金刚石膜(B D D)电极电解处理 T NT 红水和印染废水,实验证明合适电极材料的电化学氧化技术应用于工业废水处理不仅效果好、效率高,而且适应性强、可控性和可靠性好,是一种值得进一步放大推广的实用高浓度难降解工业废水处理技术。杨志亮3研究证明B D D厚膜电极可以有效降解有机物溶液的C O D值和色度,在低电流密度和高浓度有机物环境下,电解装置的能量利用效率最高。针对目前染料废水的可溶性、稳定性和难生物降解等问题,以掺硼金刚石膜电极作为阳极来电解处理酸性红染料水溶液,着重讨论了不同工艺条件下染料水溶液的C O D值降低情况,确定掺硼金刚石膜电解处理有机废水应用的可行的典型工作条件。1 实验1.1 仪器和试剂图1 水电解装置原理图染料:酸性红6 B;C O D测试仪:连华5 B-3 B(V 8);循环泵;流量计;直流稳压电源;电极系统。设计了两种不同的电极系统:双电极系统,阳极-阴极,掺硼金刚石膜-铜阳极,不锈钢阴极;三电极系统,阴极-阳极-阴极,不锈钢阴极,掺硼金刚石膜阳极,不锈钢阴极。电极有效面积均为6 1.5 c m2,电极阴阳极间距0.5 mm。1.2 实验装置采用的电解装置为无隔膜长方形反应槽,如图1所示。电解液为酸性红染料溶液;采用掺硼金刚石薄膜电极为阳极,不锈钢为阴极;使用循环泵将染料水溶液抽取至电极内部进行电解,通过流量计控制流量。65第4期张雅淋等:掺硼金刚石膜电极电解染料废水的研究1.3 实验设计直接用自来水溶解酸性红染料模拟染料废水,通过更改实验参数来研究不同工作条件对废水电解处理的影响。1.3.1 电解液流速对电解的影响使用双电极系统,染料质量0.7 4 g,自来水1 L,电极电流密度3 0 mA/c m2,分别选取电解液流速为2 0 0 m L/m i n、4 0 0 m L/m i n和1 2 0 0 m L/m i n,进行电解实验。通电电解后每隔一定时间取样,对比观察溶液颜色变化并测定溶液C O D值。1.3.2 电流密度对电解的影响使用双电极系统,染料质量0.7 4 g,自来水1 L,电解液流速4 0 0 m L/m i n,分别选取电极电流密度3 0 mA/c m2和6 0 mA/c m2,进行电解实验。通电电解后每隔一定时间取样,对比观察溶液颜色变化并测定溶液C O D值。1.3.3 电极系统对电解的影响染料质量0.7 4 g,自来水1 L,电解液流速4 0 0 m L/m i n,电极电流密度6 0 mA/c m2,分别选取双电极系统和三电极系统进行电解实验。通电电解后每隔一定时间取样,对比观察溶液颜色变化并测定溶液C O D值。1.3.4 高浓度实验从实际应用看,水电解处理的染料浓度比较高,工作时需要高的电解液流速和电极电流密度。因此设计了高浓度实验,使用双电极系统,染料质量7.4 g,