超重力技术强化电化学反应装置处理含酚废水的研究

超重力技术强化电化学反应装置处理含酚废水的研究

【摘要】：电化学法因其“清洁”和“温和”的特点被应用于废水处理，但其“气泡效应”和“传质限制”的不足增加了工艺能耗，从而限制了该方法的广泛应用。本文基于超重力技术可以强化传质过程的特点，创新性地开发了一种新型超重力电化学反应装置及其工艺，即超重力多级同心圆筒电解反应装置及其工艺。从理论和实验两个方面对含酚废水的处理工艺进行研究，解决现有的“气泡效应”和“传质限制”的不足，以达到强化电化学反应过程的效果，从而提高处理效率，降低工艺能耗。目前尚无相关研究的报道，开展相关研究具有重要的现实意义。本文通过对超重力条件、重力条件、重力搅拌条件下电解含酚废水的照片，研究了气泡在电极表面的富集、气泡在装置端盖上的聚集、气泡在废水中的分散、以及电极两侧废水的颜色变化等现象。表明超重力技术加速了气泡从电极表面的脱离和气泡从电解液中的溢出，从而消除了“气泡效应”，强化了传质过程。同时从气泡的形成和气泡相对于固体电极表面和液体电解质的运动轨迹两个方面分析了原因。但重力搅拌技术并不能消除“气泡效应”，只能在一定程度上加速离子的扩散，对传质过程的强化作用有限。本文研制了一种新型超重力同心圆筒电化学反应装置及其工艺，并将其应用于含酚废水的处理。

研究表明，超重力因素是影响废水处理效率的主要因素，在适宜的操作条件下，相同处理时间废水中苯酚的去除率为46.2%，是重力条件下的2.2倍，废水满足生化处理的要求，说明超重力技术可以缩短电解含酚废水的处理时间，提高废水处理效果，提高废水的可生化性；反应过程符合表观一级反应动力学规律，超重力条件下拟一级反应速率常数大于重力条件下的拟一级反应速率常数，活化能较小且小于重力条件下的活化能，说明超重力条件下废水能够更快、更好地电解。紫外-可见吸收光谱和高效液相色谱分析推断废水的降解途径为：苯酚-对苯二酚+邻苯二酚→对苯醌→马来酸→草酸→二氧化碳+水。循环伏安研究表明，阳极处发生的析氧反应和溶解反应是废水处理效率降低的原因之一，而超重力技术可以消除“气泡效应”，有针对性地提高电解含酚废水的处理效率。为了进一步提高废水处理效率，本文对超重力电化学法处理含酚废水的工艺进行了研究。研究表明，超重力因素是影响废水处理效率的主要因素之一，超重力牺牲阳极电化学法处理效果良好，在适宜的操作条件下，废水中苯酚和COD的去除率分别为92.2%和80.4%，而在重力条件下，苯酚和COD的去除率仅为79.7%和71.2%。

虽然废水可以满足生化处理的要求，但是超重力条件下的处理效果要优于重力条件下的处理效果。通过紫外-可见吸收光谱和高效液相色谱分析，推断超重力牺牲阳极电解处理含酚废水的降解途径为：苯酚→对苯二酚→对苯醌→马来酸→二氧化碳+水。与超重力和重力电解相比，该工艺处理含酚废水产生的中间体更少，降解途径更简单，效率更高，尤其是超重力牺牲阳极电解处理含酚废水的效率最高。经济性分析表明，在苯酚去除率相同的情况下，超重力牺牲阳极电解处理含酚废水的成本最低，超重力电解次之，重力电解最高。成本的降低主要得益于处理时间的缩短带来的电耗降低和试剂用量减少带来的试剂成本的降低。因此超重力技术在电解及电反应过程中的应用，具有缩短反应时间、提高处理效果、降低工艺能耗、减少试剂使用量等技术优势，超重力电化学技术可为废水处理提供一种高效的处理技术，具有广阔的应用前景。