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金刚石电极/阳极在实际纺织品废水的电化学处理中的适用性

卡洛斯·马丁内斯·休伊特^a,uArr;，Elisama维埃拉杜斯桑托斯^a, Danyelle Medeiros de Arauacute;jo ^a，马可·帕尼扎（Marco Panizza）^buArr;

a里约热内卢联邦大学化学研究所，Lagoa Nova，CEP 59078-970，RN，巴西

b热那亚大学化学与工艺工程系，P.le JF Kennedy 1，16129热那亚，意大利

文章信息

文章历史：

2011年9月17日收到表收以修订到2012年1月24日2012年2月2日接受2012年2月22日在线可用

摘 要

在这项工作中，巴西纺织工业排放的真实废水已使用掺硼金刚石（BDD）阳极进行电化学处理，以消除化学需氧 量（COD）和颜色。为了验证该处理过程的适用性，在实际的废水排放条件（pH和电导率）下进行了初步实验。但是，根据所施加的电流密度（分别为20、40和60 mA cm-2），可以部分消除COD和色散。因此，进行了不同的实验组，其中在实际流出物中添加了一定量的Na2SO4。然后，通过采用不同的操作条件（电流密度、温度、Na2SO4浓度、流速）来减少纺织废水的COD，减少了净化时间，进而降低了成本，从而确认了这种有着潜在的效率纺织品废水处理。

关键字

电化学处理金刚石电极；实际废水纺织；染料预处理

1、介绍

纺织工业在洗涤和染色过程中产生大量废水，其中包含大量染料， 并与纺织废水一起处理。纺织染料和中间体化合物的潜在污染首先是由于其毒性和致癌性而引起的，这些毒性和致癌性可能会损害人类健康和环境。值得一提的是，水道中的着色会影响水的透明度和气体溶解度[1,2].

因此，开发适合于去除纺织品流出物的颜色和降低其毒性的处理技术是重要的。为了从废水中去除染料，已经开发并提出了多种技术[1–11].但是，最有用的工业处理方法是生物修复技术，因为它可以在现场以较低的成本进行，方便度很高，对环境的影响最小， 可以永久消除废物，并且可以与物理和化学处理方法结合使用[5].但是，此过程需要长时间和特定的处理条件，此外，重金属，放射性核苷酸，复杂分子，生物难治性化合物和某些含氯化合物不适合生物修复[6].

在这种情况下，电化学技术引起了极大的兴趣，因为它们为解决与工业过程有关的环境问题提供了有效的手段。[12–15].这些技术已 被多个科学小组研究用于从水溶液（染料溶液，合成废水和实际废水） 中脱色和降解染料，并提出了多种电极材料，例如石墨，铂，IrO2， RuO2，SnO2，PbO2，Ti / Pt，Ti / Pt–Ir，Ti / PbO2，Ti / PdO

– Co3O4和Ti / RhOx– TiO2，Ti涂有Ru / Ir / Ta和BDD薄膜的氧化 物[2].但是，只有使用具有高氧释放超电势的阳极（例如PbO2和BDD）， 有机物才能以很高的速率和效率发生电化学氧化为CO2[16].

使用这些阳极，在高电位下，水的排放会在其表面生成高反应性^.OH， 从而导致有机化合物的整体燃烧[12–14,16]:

H₂O→^·OH e^- H （1）

有机物 ^·OH→CO₂ H₂O （2）

此外，该技术通常具有公众认可度，这使得使用具有高氧气释放 量的阳极进行的处理具有超额潜力，有望替代或补充常规处理。

尽管在过去的5年中发表了更多的涉及染料废水电化学处理的报告， 但是很少有关于使用BDD使用该方法的报道。阳极能真正的降解纺织废水[17–23].因此，本研究的目的是评估使用金 刚石电极作为从巴西纺织工业获得的纺织废水的替代性净化（脱色和 脱毒）处理方法的电化学氧化工艺的适用性。研究了主要操作参数（例如电流密度，温度，流动条件和加成盐）对COD和脱色的影响， 以确定电化学条件，这些条件可提供高电流效率和低能耗，从而达到 巴西的法定标准和要求[24]。

2、材料和方法

2.1纺织品染料流出特性

废水样品是从位于纳塔尔（巴西东北）的巴西纺织工业的出口废 水中收集的。它主要由染料，淀粉和各种添加剂组成。为了去除影响 电化学过程的悬浮固体，使用170目筛对废水进行过滤预处理。过滤后，废水中含有高浓度的COD（650 mg dm-3 ）和Hazen单位（1204 HU）[25].它的电导率为2.70 mS cm-1，pH约为10.2。

值得注意的是，这些条件是从废水中确定的，在纺织品上色后排放程序化未经任何物理化学处理。

2.2阳极氧化实验

在恒电流条件下，使用无分隔的电解流通池，在稳定条件下进行 批量电化学氧化，类似于其他工作中已经报道的电化学系统[16,26]. 纺织品流出物存储在1 dm3 的恒温玻璃容器中，并通过工作在200–400 dm3h-1流量范围内的离心泵通过电解池再循环。该电池包含一 个BDD电极作为阳极，一个54.7 cm2Ti板作为阴极。BDD阳极是圆形的， 直径为10 cm，但有效面积为54.7 cm2，且一侧仅暴露于溶液中。电极间距离为1cm。BDD电极由Adamant Technologies（瑞士）提供，其合成方法如以前的工作所述[26] 维持质量参数（厚度为1 lm（plusmn;5％），电阻率为15 mO cm（plusmn;30％），硼浓度为5000 ppm的单晶，p硅晶片（1-3 mO cm和1 mm厚））。为了稳定其表面（亲水性质）并获得再现性可行的结果是，BDD电极在25°C的条件下在1 M HClO 中以10 mA cm-2进行阳极极化预处理30分钟[16].。

4

使用MINIPA 3015电源在恒电流条件下进行了真实纺织废水的阳极氧化实验。在25°C下进行了实验，以研究施加的电流密度（j = 20、40和60 mA cm-2）的作用，而温度效应（25、40和60°C）在电流密度为250C的条件下进行了研究。 40 mA厘米-2。使用夹套恒温器控制电解质的温度。

2.3净化监测方法

通过测量吸光度降低来监测颜色的去除；使用UV 1800 Shimadzu 分光光度计。实验上，脱色过程由以下表达式确定[2]:

相对吸光度=[ABSt]/[ABS₀] （3）

其中ABSt是对应于在时间t在废水的最大可见波长处的吸光度，而ABS0是其初始吸光度。Hazen是工业参数，单位（UH），用于确定处理后排放程序的废水颜色条件，这些条件是使用经8025方法校准的Hach Model DR / 2500分光光度计确定的（Pt–Co单位）[25].使用Methrom pH米测量pH值变化。通过减少其化学需氧量来监测实际废水的去污作用。在HANNA热反应器中消化样品后，使用HANNA HI 83099分光光度计获得值，以便使用以下关系估算纺织品废水阳极氧化的总电流效率（TCE，in.％）：

（[COD_O-COD_T]）

%TCE =FVtimes; 8I△t x 100 （4）

其中COD 和COD 分别是在时间t = 0（初始）和t（时间t）以g O dm-3表示的化学需氧量；I电流（A），F法拉第常数（96,487 C mol-1），V电解质体积（dm3），8是氧当量质量（g eq。-1），Dt是电解时间，从而可以全局确定过程的整体效率。

此外， 可以使用公式（3），从COD 值估算极限电流。如Panizza 和Cerisola所述，用于阳极氧化真实的废水[16].。

Ilim(t)=4FAKmCOD(t) （5）

其中Ilim(t)是给定时间t的极限电流（A），4交换电子的数量，A电极面 积（m2），F Far-s常数，k 在给定的时间t，电化学反应器中的平均传质系数（ms-1）和COD 以及化学氧d-mand（mol O m-3）。

估算每单位处理废水的能耗，并以kWh m-3表示。电解过程中的平均电池电压（电池电压合理地恒定，只有一些小幅度的振荡，因此计算出平均电池电压），可通过以下公式计算能耗[2]:

△Ectimes;ttimes;I

能源消耗 = （6）

1000 x V

其中t是电解时间（h）；△Ec（V）和I（A）分别是平均电池电压和电 解电流;V是样本量（m3）。

结果和讨论

3.1真实纺织废水的初步电化学实验

正如其他作者所证明的那样[13–23,26,27]，BDD具有强大的氧化 能力，可以去除有机污染物，需要更短的电解时间才能达到整体矿化作用，从而显着提高电流效率和相对能耗。因此，良好的去除效率表明使用电化学氧化作为处理实际纺织品废水的处理技术的可能性。[17–23].在这种情况下，实际的巴西纺织工业的废水被用来评估使用金刚 石电极作为去除有机物和颜色的替代方法的电化学处理效率。如图所示：

图1.通过在25°C和250的流速下施加不同的电流密度（20、40和60 mA cm-2 ），真实的纺织品废水（所获得的废水）的电化学脱色过程随时间变化dm3h-1。插图：在不同的施加电流密度下，HU随时间的减少。虚线表示巴西对污水排放的限制规定。

图1在真实的废水（1 dm3）经过恒电流电解12小时后，通过在实际的废水中施加不同的电流密度，实现了吸光度随时间的降低 条件（请参阅第2).但是，巴西的规定除色[24]6 h和4 h分别在40和60 mA cm-2下完全达到300 HU；如插图所示的图。1.而在20 mA cm-2的电流密度下，电解12小时后，仅实现了部分脱色（即约等于50％，400 HU）。

此外，COD结果清楚地表明，在40和60 mA cm-2时达到了最高去除率，请参见图2，因为有更多的电荷进入电池，有利于BDD表面产生的更多羟基自由基的电生成。(1)).尽管在最终条件下会发生完全的 COD衰减，但仍需要很长时间才能完全清除，分别为19和17 h。相比之下，在23小时后施加20 mA cm-2可以实现不完全的COD去除（图2).这些结果清楚地表明，如在脱色过程中观察到的那样，低电导率和溶解在流出物中的有机物使净化处理变得复杂。因此，增加电流密度和时间处理需要更多的电荷以完全矿化，这是因为在电化学过程中，相对大量的.OH在寄生性非氧化反应（如氧气释放）中被浪费了。从针对每种施加的电流密度（插图）获得的电流效率（TCE，以％为单位）确认图2） 在23％到14％之间的范围内。

图2.在不同电流密度下，在BDD阳极上实际纺织废水（排放）进行电化学处理期间，施加的电流对COD和TCE（插图）随时间的变化的影响。

条件：T = 25°C，流速为250 dm³h^-

这种行为通常是在进行电解时的传质控制正如其他作者已经指出的那样，电流高于极限电流[16,27]. 对于250 dm3h-1的再循环速率，传质系数为2.5 10-5ms-1，极限电流得出的值为

1.07 A（根据等式）。(5).该电流比这项工作中施加的所有电流（1.1–3.3 A）相对低，这表明在这些条件下的氧化可能发生在物质传输控制下。这些假设处理实际废水，与

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