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三维电极法处理六硝基茋生产废水

中国污水处理工程网 时间:2014-8-20 15:23:39

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六硝基茋(HNS)是一种具有较高能量和良好爆炸性能的低感度耐热单质猛炸药。HNS生产废水具有成分复杂、COD高、毒性大、色度高和排放量大等特点,是较难处理的废水之一。电化学法具有易于控制、易建立密闭循环和无二次污染等优点,被称为清洁处理法或环境友好技术,在废水处理领域越来越受到人们的重视。三维电极法是一种新型的电化学法,它是在传统二维电解电极间装填粒状或其他碎屑状工作的电极材料,使其表面带电,成为新的电极,从而大幅增加工作电极的比表面积,减小反应物迁移的距离,提高电解效率。该法具有电流效率高、处理效率高和无二次污染等优点,常被应用于去除废水中的有机污染物。

本工作以不同初始COD的HNS生产废水为处理对象,通过单因素实验和正交实验优化了三维电极法处理HNS生产废水的工艺条件,考察了最佳工艺条件下的废水处理效果。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

废水为山西某火炸药厂的HNS生产废水,COD=312 000 mg/L,色度为37 500倍,pH=5。

浓硫酸(98%(w))、无水硫酸钠、氢氧化钠:分析纯;颗粒状活性炭:工业级;玻璃珠;蒸馏水。

CS型电化学工作站:武汉科思特仪器有限公司; JB-3型定时恒温磁力搅拌器:上海雷磁新泾仪器有限公司; PG4002-SDR型电子天平: Mettler Toledo仪器有限公司; DF-1型恒温电加热器:上海楚波实验室设备有限公司。

1.2 实验方法

采用500 mL烧杯作为电解槽,阴极为Ti板,阳极为Ti/IrO2-Ta2O5电极,每块电极尺寸均为40mm×30 mm×3 mm,阳极和阴极与电化学工作站相连,电极间距可调,在电解槽内设置磁力搅拌器。将活性炭用浓硫酸和氢氧化钠溶液清洗后,在蒸馏水中浸泡24 h后烘干。称取一定量的活性炭置于废水中浸泡直至其达到吸附平衡,排出废水。

将400 mL经稀释的一定初始COD的废水加入电解槽中,调节电解槽中硫酸钠的质量浓度,加入一定量的m(玻璃珠)∶m(活性炭)(活性炭的质量为5.0 g),调整极板间距,在电极上施压,进行电解反应,测定电解反应后出水COD,计算COD去除率。

1.3 分析方法

采用重铬酸钾法测定COD。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1极板间距对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ(硫酸钠)=500 mg/L、电解电压8 V、电解时间4 h的条件下,极板间距对COD去除率的影响见图1。由图1可见,随极板间距的增大,COD去除率逐渐降低。这是因为,相同的电压条件下,极板间距越小,则极板间溶液的量越少,极板间电阻越小,电容越大,电极所能提供的反应电子数量越多,COD去除率也就越大。但极板间距太小时会导致电场过强,通电瞬间可能引起电场击穿,降低电极的使用寿命。因此,选取极板间距为5,10,15 mm进行正交实验。

2.1.2ρ(硫酸钠)对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、电解电压8 V、极板间距5 mm、电解时间4 h的条件下,ρ(硫酸钠)对COD去除率的影响见图2。由图2可见:随ρ(硫酸钠)的增加,COD去除率逐渐提高;当ρ(硫酸钠)>500 mg/L时,COD去除率的增幅趋缓。综合考虑,选取ρ(硫酸钠)为250,375,500 mg/L进行正交实验。

2.1.3电解电压对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ(硫酸钠)=500mg/L、极板间距5 mm、电解时间4 h的条件下,电解电压对COD去除率的影响见图3。由图3可见:随电解电压的升高,COD去除率逐渐升高;当电解电压高于8 V后,COD去除率的增幅减缓。这是因为,电解电压越高,则填充粒子被复极化的强度越高且数量越多,形成的微电极就越多,电解反应面积越大,COD去除率就越高。因此,选择电解电压为8 V较适宜。

2.1.4电解时间对COD去除率的影响

在初始废水COD=3 120 mg/L、ρ(硫酸钠)=500 mg/L、极板间距5 mm、电解电压8 V的条件下,电解时间对COD去除率的影响见图4。由图4可见:随电解时间的延长,COD去除率逐渐升高;电解时间超过4 h后, COD去除率的增幅趋缓。因此,选择电解时间为4 h较适宜。

2.2 正交实验

在单因素实验的基础上,采用4因素3水平正交实验确定三维电极电解HNS生产废水工艺中初始废水COD、ρ(硫酸钠)、极板间距、m(玻璃珠)∶m(活性炭)4个工艺参数的最佳实验条件,并考察不同工艺参数对COD去除率的影响。各因素的水平已由单因素实验确定,而m(玻璃珠)∶m(活性炭)的水平则通过相关报道确定为1∶1,1∶2,1∶3。正交实验因素水平见表1,正交实验结果见表2。由表2可见,在选定的参数范围内,极板间距对COD去除率的影响最大,其次是初始废水COD、ρ(硫酸钠)和m(玻璃珠)∶m(活性炭)。最优方案为A1B3C3D3,即三维电极处理HNS生产废水的最佳工艺条件为:极板间距5 mm,初始废水COD=3 120 mg/L,m(玻璃珠)∶m(活性炭)=1∶3,ρ(硫酸钠)=500 mg/L。在此最佳工艺条件下,废水COD去除率为36.5%。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3 结论

a)以Ti板为阴极、Ti/IrO2-Ta2O5电极为阳极,采用三维电极法处理HNS生产废水,通过单因素实验确定的最佳工艺条件为电解电压8 V、电解时间4 h。

b)正交实验结果表明,极板间距对COD去除率的影响最大,其次是初始废水COD、硫酸钠质量浓度和m(玻璃珠)∶m(活性炭)。优化的工艺条件为:极板间距5 mm,初始废水COD=3 120 mg/L,m(玻璃珠)∶m(活性炭)=1∶3,ρ(硫酸钠)=500 mg/L。在此最佳工艺条件下,废水COD去除率为36.5%。