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1、电化学法处理含酚废水的动力学研究摘要：以实验研究为基础，探讨了含酚废水电化学处理的动力学规律，分析了曝气量、电解电压和支持电解质浓度对反应速率的影响。研究表明：污染物的电解氧化反应过程符合表观一级反应动力学规律，电解电压对电化学处理反应速率影响较大，而曝气量和支持电解质浓度对反应速率影响相对很小。关键词：电化学氧化；对氯苯酚；反应动力学；速率常数Abstract Based on experimental studies to explore the kinetics of the electrochemical treatment of phenolic wastwater, analysi
2、sed the amount of aeration ,the electrolysis voltage ,and the concentration of supporting electrolyte on the reaction rate. The results showed that: The electrolytic oxidation process of pollutants reached the apparent first-order reaction kinetics, elctrolysis voltage had a much greater impact on t
3、he electrochemical treatment reaction rate, but the aeration and supporting electrolyte concentration is relatively less. Key Words: electrochemical oxidation; p-chlorphenol; reaction kinetics; rate constant1、前言酚类化合物是重要的化工原料和中间体，也是许多工业和企业生产的副产品。因此含酚废水的来源十分广泛，焦化厂、炼油厂、煤气厂以及煤油厂等在生产过程中都会产生含酚废水，同时生产树脂等以酚
4、类为原料的化工企业也会产生含酚废水1。酚类物质由于其化学结构，对周围生活的人群和动、植物都有严重的危害作用。相关研究表明，饮用水中的含酚浓度只有0.002mg/L时，就会影响人体健康。酚类对人类的危害可以分为直接危害和间接危害。直接危害表现为，人如果长期饮用含有酚类化合物的水，极易导致慢性中毒，出现头昏、耳鸣、头痛、腹泻、记忆力衰退、肝肾损坏以及各种神经系统的疾病，严重的会导致死亡。间接危害是通过农作物影响人类健康，当低浓度的酚类废水用于灌溉农作物，将会导致农作物的果实中富集一定量的酚类物质，人要是食用了这些农作物，必然会对身体造成潜在的威害。此外，酚类废水的毒性还可抑制水体中其它生物的自然生
5、长速度，破坏生态平衡2-3。综上所述，含酚废水对环境和人类健康造成极大的威胁，含酚废水污染尚未得到有效控制，引起社会公众的普遍关注，对难降解含酚废水的有效处理也已成为水处理领域的研究热点4-8。在我国已经将含酚废水作为首要解决处理的有毒有害的有机废水之一9。多年来，国内外学者对含酚废水治理做了大量的研究工作，并且研究出许多含酚废水的处理方法。目前，含酚废水的处理大体上可以分为物化法、生化法、电化学法等。而由于电化学技术能在适当的控制条件下通过电极催化产生氧化性很强的羟基自由基，从而能有效降解有机物，克服常用的高级氧化技术投加氧化剂的缺陷，因此在含酚有机废水的前处理和深度处理方面有着极其广阔的应
6、用前景10。本研究采用电化学法来处理含酚废水，并在实验研究的基础上，探讨电化学法处理含酚废水的动力学规律，以期为该技术的深入研究和应用提供参考。2、材料和方法CS501 型超级恒温器（上海雷磁仪器厂）；100/150型计量隔膜泵（美国IDEX 公司）；电化学反应器；8522 型恒温磁力搅拌器（上海雷磁仪器厂）； 25V- 26A 时间预置高精度直流电源（河南来成电源器材厂）。配制1000mL 含酚废水，全部转移到三颈瓶中，并通过超级恒温槽恒温，同时用隔膜计量泵模拟废水循环注入自制电化学反应器中，并打开恒温磁力搅拌器，使其在电解氧化开始之前废水处于恒温、均匀状态。然后在不同的电解氧化时刻取样，用
7、4-氨基安替吡啉直接光度法测定样品中苯酚的含量。3、结果与讨论3.1动力学模型的建立在众多影响电化学反应速率的因素中，往往只有一两个因素起着决定性的作用，电化学反应速率主要由传质步骤或电化学步骤控制。如果忽略电极直接氧化，则电化学氧化降解过程主要由电催化产生的羟基自由基基攻击分类物质分子（R），发生亲电反应，降解为产物（P）： （1）降解反应的速率方程式： （2）式中：t 反应时间；k 反应速率常数；c（R）有机污染物的浓度；c（P）降解产物的浓度；c（OH） OH 的浓度。在稳定的电催化系统中，可认为浓度为一常数11，则： （3）式中，为反应速率常数。若n=0，为零级反应，积分后可得速率方程
8、： （4）若n=1，为一级反应，积分后可得速率方程：Ln() （5）若n=2，为二级反应，积分后可得速率方程： 1/Ct1/C0 （6）实验条件下对含酚废水电氧化处理150 min，对氯苯酚浓度变化如表 1 所示。表1 对氯苯酚浓度随处理时间的变化tCtC0-Ctln(C0/Ct)1/Ct-1/C03068.7031.300.3750.0056042.2757.730.8610.0149021.4078.601.5420.03712010.9689.042.2110.0811506.0993.912.7990.154分别拟合出（C0Ct)t，ln() t，(1/Ct1/C0)t的关系，如图1
9、图3 所示，比较哪条曲线的线性相关性更好，则可以确定 n 的值。图1 （）与处理时间t的关系 图2 ln()与处理时间t的关系 图3 1/1/与处理时间t的关系由线性拟合结果可以看出，ln() t的线性相关性较好，=0.9973。说明实验条件下对氯苯酚的电化学降解过程很好地符合表观一级反应的动力学规律。所以该过程的速率方程式为：ln() （5）不同初始浓度下含酚废水的电化学降解过程的实验结果见表2，ln() t关系如图 4 所示。由不同初始浓度下的拟合结果可以看出，电化学降解不同初始浓度的含酚废水的反应速率常数基本相同，这也表明了在不同初始浓度下该类电化学降解过程均较好地符合表观一级反应的动力
10、学规律。表2 不同初始浓度下的处理效果处理时间t(min)C0=100mg/LC0=200mg/LC0=300mg/LCt(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)3068.730.375176.90.123294.40.0196042.270.861100.30.690170.00.5689021.401.54256.901.25798.181.11712010.962.21132.281.82456.701.6661506.0872.79918.312.39132.752.215 图4 不同初始浓度下ln()与处理时间t关系3.2不同
11、处理条件对反应速率的影响3.2.1曝气量对反应速率的影响电化学氧化降解对氯苯酚的反应是个多相氧化反应，只改变曝气量，其它均维持基准实验条件进行实验，实验结果见表3，,对氯苯酚在不同曝气量下电解过程的ln()t的拟合关系见图5。表3 不同曝气量下的处理效果t0.1m3/h0.2m3/h0.3m3/h0.4m3/hCt/(mgL-1)ln(C0/Ct)Ct/(mgL-1)ln(C0/Ct)Ct/(mgL-1)ln(C0/Ct)Ct/(mgL-1)ln(C0/Ct)30min66.100.41453.740.62166.300.40565.120.42960min43.690.82828.881.2
12、4243.960.81342.400.85890min28.881.24215.521.86329.141.21927.611.287120min19.091.6568.3412.48419.321.63517.981.716150min12.622.0704.4823.10512.812.00111.712.145图5 不同曝气量ln()与处理时间t关系由图可知ln() t在实验范围内呈线性关系。按照表观一级速率方程式，分别求出曝气量为 0.1、0.2、0.3 和 0.4 m3/L 时反应的速率常数分别为 1.3810-2、2.0710-2、1.3710-2、1.4310-2min-1。可以
13、看出：随曝气量的增加，电化学降解反应的速率先增加而后减小。3.2.2电解电压对反应速率的影响只改变外加电压，其它均维持基准实验条件进行实验，结果见表4。图 6 为对氯苯酚在不同外加电压下电化学降解过程中ln() t的拟合关系。可以看出，在实验范围内ln() t同样呈线性关系。求得外加电压为 7、8、9、10 和 11 V 时的反应速率常数分别是1.210-2、1.310-2、1.510-2、2.110-2、2.210-2 min-1。表4 不同点解电压下的处理效果 tP=7VP=8VP=9VP=10VP=11VCt(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)
14、ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)30 min69.770.3667.710.3963.760.4553.260.6351.690.6660 min48.680.7245.840.7840.660.9028.371.2626.711.3290 min33.961.0831.041.1725.921.3515.111.8913.811.98120 min23.691.4421.011.5616.531.88.052.527.1362.64150 min16.531.8014.231.9510.542.254.293.153.6883.3图6 不
15、同电解电压ln()与处理时间t关系结果表明：随外加电压的增加，含酚废水电化学降解反应的速率增加。特别在电压为10 V 时，反应速率常数明显增大。3.2.3电解质浓度对反应速率的影响只改变支持电解质浓度，其它均维持基准实验条件进行实验，实验结果见表5。图 7 为对氯苯酚在不同电解质浓度下电催化降解过程中ln() t的拟合关系。表5 不同电解质浓度下的处理效果tN=0.02mol/LN=0.03mol/LN=0.04mol/LN=0.05mol/LCt(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)Ct(mg/L)ln(C0/Ct)30 min69
16、.560.36367.710.39053.740.62158.800.53160 min48.380.72645.840.78028.881.24234.581.06290 min33.661.08931.041.17015.521.86320.331.594120 min23.411.45221.011.5608.3412.48411.962.124150 min16.281.81514.231.9504.4823.1057.032.655图4 不同电解质浓度ln()与处理时间t关系由图可知，在实验范围内ln() t也呈现很好的线性关系。支持电解质的浓度为 0.02、0.03、0.04 和
17、0.05 mol/L时电降解过程的反应速率常数分别为1.2110-2、1.310-2、2.0710-2、1.7710-2，564、结论通过分析不同因素对反应速率的影响发现，含酚废水的电化学氧化降解过程很难用基元反应的模型简单表达，实验条件下对氯苯酚的电化学降解反应表现出以下动力学特点：（1）电化学降解过程较好地符合表观一级反应动力学规律，外加电压、电解质浓度等实验条件对降解反应的速率常数有不同程度的影响。（2）电化学氧化降解反应速率常数受外加电压对的影响较大，随外加电压的增加，反应速率常数增大，但增幅减小。（3）支持电解质浓度和曝气量的增加对电降解反应的速率常数的影响表现出相似的规律，均呈先增
18、加后降低的趋势，在某一条件下存在最佳值，但总体上反应的速率常数受电解质浓度和曝气量的影响相对较小。参考文献：1 张珺. 含酚废水的处理进展J. 精细与专用化学品, 2012, 20(3):23-25.2 刘相伟. 工业含酚废水处理的现状和进展J. 工业水处理, 1998, 18(2):4-6.3 Song Wei hua, Zheng Zheng, Abual-Suud Rami. Degradation and Detoxification of Aqueous Nitro Phenol Solutions by Electron Beam IrradiationJ. Radiation P
19、hysics and Chemistry, 2002, 65:559-563.4 马克, 陈寅生, 李茜. 含酚废水治理技术的现状及进展J. 化学工业与工程技术, 2009, 30(6):21-25.5 Marianna Czaplicka. Sources and transformation of chlorophenols in the natural environment J. Science of the Total Environment, 2004, 322(3):21-39.6 白杉. 废水常见处理技术J. 污染防治技术, 2003, 16(4):94.7 彭书传, 王诗生, 陈天虎等. 负载型TiO2光催化氧化法处理硝基苯酚工业废水J. 工业水 处理, 2003, 23(11):34-36.8 沈荣明, 竹湘锋, 徐新华. Mn2+催化臭氧氧化苯酚废水的初步研究J.天津化工, 2006, 20(6):57-59.9 陈启昌. 含酚废水处理技术研究J. 华东理工大学工程硕士学位论文J. 2012.10 冯玉杰,李晓岩,尤宏.电化学技术在环境工程中的应用M. 北京:化学工业出版社, 2002: 110-117.11 宋卫锋,林美强.DSA 类电极催化降解硝基苯动力学及机理的研究J.环境科学研究， 2002,5(15):10-13